TiO2/膨脹石墨復合材料的制備及表征

高 微， 高麗敏， 丁麗麗

（黑龍江科技大學材料科學與工程學院，哈爾濱150022）

TiO2/膨脹石墨復合材料的制備及表征

高 微， 高麗敏， 丁麗麗

（黑龍江科技大學材料科學與工程學院，哈爾濱150022）

為了提高膨脹石墨和TiO2在污染領域的處理能力，提出了復合材料的制備方法。以硫酸為插層劑、雙氧水為氧化劑，采用化學氧化法制備膨脹石墨，高溫膨化得到低硫膨脹石墨，然后采用醇熱法進一步制備了TiO2/膨脹石墨復合材料。采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）對樣品進行表征。以汽油為樣品油，研究膨脹石墨及TiO2/膨脹石墨對汽油吸附性能。結果表明：TiO2成功負載于膨脹石墨的邊緣和內壁，平均粒徑為100 nm，形貌為球形。膨脹石墨對汽油的最大吸附量為40 g/g，復合材料對汽油的吸附量隨著TiO2含量的增加而逐步降低。

膨脹石墨；TiO2；復合材料；吸附

0　引 言

膨脹石墨是一種疏松多孔的蠕蟲狀物質，比表面積大，空隙結構發達，具有優良的導電、儲氫、超導、導磁和吸附性能［1］。近年來，隨著環境污染的日益嚴重，膨脹石墨作為吸附材料已經廣泛用于治理水體中工業油污染、重油污染和染料污染［2-3］。TiO2作為一種功能性的化工材料，具有優良的理化性質，已經應用于環保材料、污水處理、凈化空氣等領域［4］。納米TiO2及其復合材料［5-6］在治理水污染領域表現出更強的處理能力。趙穎華等［7］研究了膨脹石墨對廢水中鉻的吸附，結果表明吸附能夠較好地符合Langmuir吸附等溫式以及二級動力學模型。樊平等［8］研究了膨脹石墨對水面浮油的吸附性能，認為膨脹石墨對水面浮油的最大吸附量均與油的黏度和溫度有關。岳學慶［9］制備了膨脹石墨/TiO2復合材料，并研究了復合材料的吸附性能，研究表明納米TiO2均勻地嵌入膨脹石墨的內部和表面，形成了類似石墨蠕蟲的結構，使得復合材料既具有膨脹石墨的吸附性能，還具有TiO2的光降解性能，可以更好地應用于處理水污染領域。，不足的是，TiO2在使用時經常負載到載體上，負載過程繁瑣，限制了大規模工業化生產。

筆者采用化學氧化法制備膨脹石墨，然后進一步制備TiO2/膨脹石墨復合材料，研究復合材料對汽油的吸附性能。

1　實 驗

1.1試劑和儀器

試劑：天然鱗片石墨和鈦酸四丁酯（AR），天津市光復精細化工研究所；無水乙醇（AR），廣東汕頭西隴化工廠；硫酸（AR）、硝酸（AR）和雙氧水（AR），國藥集團化學試劑有限公司；高錳酸鉀（AR），昆山市亞龍貿易有限公司。

實驗儀器：馬弗爐（XL-1），鶴壁市儀表廠有限責任公司；恒溫水浴鍋（DK-98-ⅡA）和電熱鼓風干燥箱（101-OAB）天津市泰斯特儀器有限公司；超聲振蕩儀（VGT-1620T），天津市瑞普電子儀器公司；掃描電鏡（FEIXL30 ESEM FEG）；X射線衍射儀（SHIMADZU-6000）。

1.2樣品制備

1.2.1膨脹石墨的制備

以硫酸為插層劑，雙氧水為氧化劑，采用化學氧化法制備可膨脹石墨。然后，用馬弗爐加熱膨化制得低硫膨脹石墨［10］。

1.2.2TiO2/膨脹石墨的制備

稱取定量膨脹石墨置于無水乙醇中，然后向混合物中加入鈦酸四丁酯，超聲分散30 min后倒入水熱反應釜。在180℃條件下反應6 h后，用無水乙醇洗滌，80℃烘箱中干燥24 h，得到TiO2/膨脹石墨復合材料。

1.2.3對汽油的吸附實驗

汽油緩慢加入一定量的吸附材料中，吸附飽和后，計算吸附材料對汽油的飽和吸附量。

2　結果與討論

2.1表面形貌分析

2.1.1膨脹石墨的SEM分析

圖1是膨脹石墨的掃描電鏡照片。從圖1中可以清晰地看出，所制備的膨脹石墨是一種蠕蟲狀的物質，并且具有疏松多孔結構。

圖1 膨脹石墨的SEMFig.1 SEM photom icrographs of exfoliated-graphite

圖1a中可見，膨脹石墨顆粒是由小微胞排列而成，并且微胞是以不規則的橢球形存在，微胞間的表面以V形裂開。膨化前，由于插層化合物中的插入物大多位于晶體的缺陷處，而可膨脹石墨又可細分為更小的片層有序區，因此，在膨化過程中，片層間的連接處比較容易被氣流脹開，從而在微胞之間形成大的裂縫。然而，由于片層有序區內部的結構相對較為完善、更緊密，因此后續膨化為微胞［11］。

2.1.2TiO2/膨脹石墨復合材料的SEM分析

TiO2和TiO2/膨脹石墨材料的掃描電鏡照片見圖2。從圖2a中可以看出，所制備的TiO2具有相同的形貌并且尺寸均一，約為100 nm的球形顆粒。圖2b顯示球狀TiO2顆粒已經插入膨脹石墨，主要分布在膨脹石墨的邊緣和內壁。

圖2　TiO2和TiO2/膨脹石墨的SEMFig.2 SEM photom icrographs of TiO2and TiO2/exfoliated-graphite

2.2XRD分析

為了研究所制備樣品的物相結構，對膨脹石墨、TiO2以及TiO2/膨脹石墨復合材料進行了XRD表征，圖3是各樣品的XRD圖譜。圖3中Ⅰ為膨脹石墨的XRD圖譜，圖中在2θ為26.3°和54.8°處的衍射峰對應的是碳的（006）和（0012）晶面［12］。對所制備TiO2的XRD圖譜與TiO2的標準衍射譜（JCPDS 21-1272）對照，表明所制備TiO2為銳鈦礦結構，其中在2θ為25.1°、37.6°、47.9°、53.9°、54.9°、62.9°與68.8°處的衍射峰歸屬于銳鈦礦TiO2的（101）、（004）、（200）、（105）、（201）、（204）和（116）晶面［13］。TiO2/膨脹石墨（Ⅲ）的XRD圖譜顯示出銳鈦礦TiO2與膨脹石墨共存，這也與掃描電鏡的結果一致，并且膨脹石墨的存在對TiO2的結構沒有影響。

圖3　各樣品的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of different sam p les

2.3膨脹石墨與復合材料對汽油的吸附性能

將膨脹石墨、TiO2/膨脹石墨置于汽油中浸泡，研究二氧化鈦的存在對膨脹石墨吸附性能的影響。圖4給出了TiO2/膨脹石墨的最大吸附量與TiO2含量（w）的關系。

圖4　復合材料最大吸附量與TiO2含量的關系Fig.4 Relationship between sorption capacity of com posite and conten t of TiO2

從圖4中可以看出，膨脹石墨對汽油的最大吸附量為40 g/g，并且復合材料對汽油的吸附量隨著TiO2含量的增加而逐步降低。這是由于TiO2的存在，減少了復合材料中膨脹石墨的含量，從而導致其對汽油吸附量的下降。如將復合材料中TiO2的含量扣除，即按照復合材料中膨脹石墨的單位質量來計算吸附量，則復合材料的吸附量較膨脹石墨的吸附量下降并不明顯。

3　結束語

筆者以硫酸為插層劑，雙氧水為氧化劑，采用化學氧化法制備得到低硫膨脹石墨，然后采用醇熱法進一步制備了TiO2/膨脹石墨復合材料。同時，研究膨脹石墨以及TiO2/膨脹石墨復合材料對汽油的吸附性能，研究結果顯示，膨脹石墨對汽油的最大吸量為40 g/g，并且復合材料對汽油的吸附量隨著TiO2含量的增加而逐步降低。

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（編輯徐 巖）

Preparation and characterization of TiO2/ exfoliated-graphite com posite

GAOWei， GAO Limin， DING Lili
（School of Materials Science&Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper presents the preparation of titanium dioxide/exfoliated-graphite composite as a partof efforts to improve the processing capacity of exfoliated-graphite and titanium dioxide in the field of pollution.The preparation is achieved by chemical oxidation with sulfuric acid as intercalation agent and hydrogen peroxide as the oxidant.Titanium dioxide/exfoliated-graphite composite was further prepared with alcohol calorimetry.The productswere characterized by scanning electron microscopy（SEM）and X-ray powder diffraction（XRD）.The adsorption capacities of exfoliated-graphite and titanium dioxide/exfoliated-graphite composite for gasoline weremeasured.Itwas found that titanium dioxide was successfully supported on the edges and inner of exfoliated-graphite，and average particle diameter of 100 nm，a sphericalmorphology.The sorption capacity of exfoliated-graphite on gasoline was 40 g/g，and the adsorption capacity of compositematerials gradually decreased with the increase of TiO2concentration.

exfoliated-graphite；TiO2；composite；adsorption

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.009

TQ050.4

2095-7262（2014）05-0484-04

A

2014-08-05

高 微（1985-），女，黑龍江省哈爾濱人，講師，博士，研究方向：無機非金屬材料，E-mail：g9w9y9s9@sina.com。