石墨烯二氧化钛复合材料的可控合成开题报告

1. 研究目的与意义

TiO2俗称钛白粉，对紫外线有较强的吸收能力，具有奇特的颜色效应、较高的热稳定性、化学稳定性以及优良的光电力学性能、对人体无毒、成本低，它被认为是最有前景的光催化剂，并广泛应用于帮助解决许多严重的环境和污染问题。随着纳米特殊材料的发现，二氧化钛纳米材料的应用更为广泛。它很多应用与其光学性质密切相关，而其光学性质受晶体结构、掺杂和形貌等因素的影响，使得TiO2本身具有较低的电导率,其表面光生电子和空穴的快速复合严重降低了TiO2被光催化的效率，并且它只能在紫外区吸收紫外光，在可见光的照射下，TiO2被作为光催化剂的光催化效率很低。因此，科学家们开始尝试用不同的方法改善其光催化性能，近年来，石墨烯表面富含大量的活性基团，容易和氧化物纳米结构材料结合成复合物，因此石墨烯/氧化物复合材料已经被大量研究。由于石墨烯本身具有的优异性能，石墨烯/TiO2纳米复合材料可以延伸光吸收范围，以及有着简单的电荷输运可以将形成的光生电子和空穴快速分离，具有更高的吸附能力、高光催化活性和可见光敏感性。因此将二氧化钛与石墨烯相结合是近期研究的热点。

2. 课题关键问题和重难点

关键问题1：石墨烯由单层碳原子的sp2杂化组成的二维平面结构，由于范德华力和石墨烯片层间的π-π堆积的作用，使得石墨烯的水溶性和油溶性都不好，且与其他材料的相容性低，会体现出较强的化学反应惰性，从而限制了石墨烯的应用，需对石墨烯进行改性，实现石墨烯材料的功能化。

关键问题2：二氧化钛作为催化剂具有较大的局限性。比较纯二氧化钛和还原氧化石墨烯二氧化钛纳米复合材料的光催化性能。

关键问题3：碳基材料对水中污染物有机物质的直接吸附、降解、去除效果很有限，但碳基材料的不同会影响到对二氧化钛的负载，从而影响对有机物质的去除效果，研究并选择合适的载体种类作为负载使得对污染物的降解作用时间最短，效率最高。

3. 国内外研究现状（文献综述）

1.tio2的发展及应用

在20世纪初，因为它在光电转换、抗紫外线粉化、光催化、抗腐蚀性等方面显示出的特殊性能，常被用作氧化物半导体，被广泛地用于涂料、油漆、防晒、牙膏等等行业［1］。1972年，fijishima和hond［2］等人首次发表了tio2电极在紫外线的照射下，可光解水产生氢气，这引起人们对tio2材料更广泛的研究。1976年,carey［3］等发表的tio2在接近紫外光的照射下，可使氯联苯脱氯的报道，开辟了tio2关于光催化降解方面的应用。40多年的研究，人们已经开发出越来越多的半导体材料，tio2具有较强的光催化效果，tio2半导体催化剂的化学性质很稳定，价格低廉且无毒。其光催化反应机理相当复杂，于1995年，hoffmann［4］提出了tio2光催化的一般机理后，人们对光催化反应的研究和应用有了更深层次的理论认识。

tio2主要有金红石型、锐钛矿型和板钛矿型三种晶相。金红石矿型最稳定，锐钛矿型在室温下较稳定，其光催化效果较好。以锐钛矿型tio2为例，它的禁带宽度为3.2ev，被波长小于390纳米的紫外光激发，可是可见光能量中紫外光仅占有5%~7%。近年以来，锐钛矿型tio2由于其在有机物催化降解中的重要性，一直受到科研者的重视，并对它的合成方法开展了大量的研究。迄今为止，tio2的合成主要有溶剂热法、溶胶凝胶法化学气相沉淀法、水热法等多种不同的制备方法。不同结构形态的tio2纳米材料由于各自的特点，在各个领域中展现出巨大的作用。近年来，人们对一维二氧化钛纳米材料的可控合成使它在光催化领域中有了更加广阔的发展空间。但同时tio2也存在缺陷，一方面tio2的光生电子和光生空穴的寿命相当短，且二者很容易复合，从而使tio2的光催化活性不高，量子产量低［6］；另一方面，tio2的光催化降解只能利用可见光能中的紫外线，很大程度上限制了其对太阳光的利用；最后tio2的比表面积不高，吸附能力差，反应后回收困难，需要对tio2光催化剂进行改性［5］。

4. 研究方案

1.材料的制备：用hummers氧化法合成制备氧化石墨烯；

2.不同大小氧化石墨烯与钛酸纳米线复合

取一定量的制备所得的1mg/ml钛酸纳米线水溶液，超声0.5h。分别取一定量的1mg/ml的未超声破碎的go的水溶液（记为大片go）与一定量的1mg/ml的超声破碎16min后的go水溶液（记为小片go），超声1h。在超声分散的条件下，将大片go与小片的水溶液缓慢滴入钛酸纳米线水溶液，配制成质量比为1:10的钛酸纳米线与氧化石墨烯复合溶液。

5. 工作计划

第1～2周：知道老师提出相关课题，查阅、收集相关文献资料，设计实验方案，翻译文献，撰写开题报告。

第3周：在老师的帮助下，完成不低于3000字的外文文献翻译，完成开题报告，制作开题答辩的ppt，并准备答辩的演讲，熟悉实验流程，实验设备，实验仪器和实验试剂。做tio2/石墨烯纳米复合材料制备的基本实验。

第4～6周：要求制备多种不同形貌的石墨烯、二氧化钛复合材料，记录数据，处理讨论数据结果，准备期中小结。