一種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法。本發(fā)明制備的電極是以TiO2納米顆粒/氧化石墨烯混合溶液為紡絲液，采用濕紡技術(shù)制備石墨烯/TiO2復(fù)合纖維，經(jīng)過氧等離子刻蝕即得所述的石墨烯纖維光電極。本發(fā)明的制備方法包括：制備紡絲液；制備氧化石墨烯/TiO2復(fù)合纖維；制備石墨烯/TiO2復(fù)合纖維；最后將石墨烯/TiO2復(fù)合纖維放入氧等離子體處理器進(jìn)行刻蝕，即得所述的石墨烯纖維光電極。本發(fā)明制備的石墨烯纖維光電極不僅使TiO2納米顆粒嵌入在光電極表面，而且使得光電極表面嵌入的TiO2納米顆粒部分裸露出來，提高了TiO2與光電極的結(jié)合牢固性和纖維光電極的光電轉(zhuǎn)化性能；且具有柔韌性好、高光電轉(zhuǎn)化性能等優(yōu)點(diǎn)，在有機(jī)廢水處理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于石墨烯纖維光電極材料領(lǐng)域，尤其涉及一種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]二氧化鈦(T12)是目前研究最廣泛的一種光催化材料，具有無毒、化學(xué)穩(wěn)定性好、光催化活性高等優(yōu)點(diǎn)，在氣體凈化、有機(jī)/無機(jī)廢水處理、太陽能電池等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。石墨烯是一種由六角形晶格組成的碳薄膜，以其優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能和獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來，石墨烯已與Ti02納米粒復(fù)合制備光電極，并將其應(yīng)用于染料敏化太陽能電池、有機(jī)物的光催化降解與光電轉(zhuǎn)化以及光電化學(xué)傳感器。雖然這些制備的Ti02納米粒/石墨烯光電極具有較好的光化學(xué)與光電響應(yīng)性能，然而在應(yīng)用過程中仍然受到低光活性、電極剛性且小型化的影響，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化效率不理想、光電極構(gòu)建成本高且難以放大化。石墨烯纖維由于其具有良好的力學(xué)強(qiáng)度、柔韌性、導(dǎo)電性和可編織性，為有效解決石墨烯基光電極存在的問題提供了可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]綜上所述，本發(fā)明目的在于提供一種具有柔性和高光電轉(zhuǎn)化性能的石墨烯/T12纖維光電極的制備方法。
[0005]—種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極，以T12納米顆粒/氧化石墨烯混合溶液為紡絲液，采用濕紡技術(shù)制備石墨烯/T12復(fù)合纖維，經(jīng)過氧等離子刻蝕即得所述的石墨烯纖維光電極。
[0006]—種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法，包括以下步驟:
步驟1、將氧化石墨稀配制成18mg/mL的去離子水分散液，按Ti02質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O?60%的比例加入T12納米顆粒，磁力攪拌得到分散均勻的紡絲液；
步驟2、采用注射栗及?0.9 mm的注射針頭將紡絲液注入到凝固浴中，浸泡10?30min后，取出并自然干燥得到氧化石墨烯/T12復(fù)合纖維；
步驟3、將干燥的氧化氧化石墨烯/T12復(fù)合纖維在Ar氣氛中于250?450°C下熱處理3?5h，得到石墨稀/Ti02復(fù)合纖維；
步驟4、將石墨烯/T12復(fù)合纖維兩端固定后，采用氧等離子體處理器對(duì)石墨烯/T12復(fù)合纖維進(jìn)行刻蝕，即得所述的石墨烯纖維光電極。
[0007]進(jìn)一步，所述的步驟I中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:T12納米顆粒占紡絲液固含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
[0008]進(jìn)一步，所述的步驟2中的凝固浴為:含有I?5wt% CaCl2的乙醇/水溶液，其中乙醇/水溶液為按1:1的體積比將乙醇和水均勻混合制得。
[0009]進(jìn)一步，所述的步驟4中的刻蝕條件為:氧氣體流量400ml/min，工作功率為400W，刻蝕時(shí)間為I?7 min。
[0010]本發(fā)明的有益效果:
1.本發(fā)明以氧化石墨烯/T12納米顆粒為紡絲液，濕紡制備石墨烯纖維光電極，一方面，Ti02納米顆粒在石墨稀片層表面分布均勾；另一方面，石墨稀纖維光電極中Ti02納米顆粒的含量易于調(diào)控。
[0011 ] 2.本發(fā)明采用氧等離子刻蝕方法處理石墨烯纖維光電極，不僅使T12納米顆粒嵌入在光電極表面，而且使得光電極表面嵌入的T12納米顆粒部分裸露出來，提高了 T12與光電極的結(jié)合牢固性和纖維光電極的光電轉(zhuǎn)化性能。
[0012]3.石墨烯纖維光電極制備方法簡單，柔韌性好、可編織、易于放大化。
【附圖說明】
[0013]圖1a是石墨烯/Ti02(50%)纖維的SEM圖；
圖1b是石墨烯/Ti02(50%)纖維打結(jié)的SEM圖；
圖lc-f是石墨烯/Ti02(50%)纖維橫截面的SEM圖；
圖2a-b是石墨烯/Ti02(50%)纖維在氧等離子體處理前后的SEM圖；
圖3是石墨烯、T12和石墨烯/T12纖維的拉曼圖譜圖4是不同T12含量的石墨烯/T12纖維的強(qiáng)度；
圖5是石墨烯/ Ti02(50%)纖維在不同氧等離子體處理時(shí)間下的光電流。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為了更好地理解本發(fā)明，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
實(shí)施例1:
一種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法，包括如下步驟:
1)將氧化石墨稀配制成18mg/mL的去離子水分散液，按Ti02納米顆粒占紡絲液固含量為50%的比例加入T12納米顆粒，磁力攪拌得到分散均勻的紡絲液；
2)采用注射栗及的注射針頭將紡絲液注入到有3wt%CaCl2的乙醇/水(1:1 v/v)凝固浴中，浸泡20min后，取出并自然干燥得到氧化石墨烯/T12復(fù)合纖維；
3)將干燥的復(fù)合纖維在Ar氣氛中于450°C下熱處理3h，得到石墨烯/T12復(fù)合纖維；
4)將石墨烯/T12復(fù)合纖維兩端固定后，采用氧等離子體處理器在氧氣體流量400ml/min、工作功率為400W的條件下刻蝕石墨稀/Ti02復(fù)合纖維5 min，即得所述的石墨稀纖維光電極。
[0015]將石墨烯纖維光電極編織成5X 5cm網(wǎng)作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲作為輔助電極，KCl溶液(0.1 mol/L)作為電解液，測試2 X 105mol/L羅丹明B的光電轉(zhuǎn)化，氙燈光照90min后，光電轉(zhuǎn)化率為97%。
[0016]實(shí)施例2:
一種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法，包括如下步驟:
1)將氧化石墨稀配制成18mg/mL的去離子水分散液，按Ti02納米顆粒占紡絲液固含量為30%的比例加入T12納米顆粒，磁力攪拌得到分散均勻的紡絲液；
2)采用注射栗及的注射針頭將紡絲液注入到有4wt%CaCl2的乙醇/水(1:1 v/v)凝固浴中，浸泡25min后，取出并自然干燥得到氧化石墨烯/T12復(fù)合纖維； 3)將干燥的復(fù)合纖維在Ar氣氛中于350°C下熱處理4h，得到石墨烯/T12復(fù)合纖維；
4)將石墨烯/T12復(fù)合纖維兩端固定后，采用氧等離子體處理器在氧氣體流量400ml/min、工作功率為400W的條件下刻蝕石墨稀/Ti02復(fù)合纖維3 min，即得所述的石墨稀纖維光電極。
[0017]將石墨烯纖維光電極編織成5X 5cm網(wǎng)作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲作為輔助電極，KCl溶液(0.lmol/L)作為電解液，測試2 X 105mol/L羅丹明B的光電轉(zhuǎn)化，氙燈光照90min后，光電轉(zhuǎn)化率為91 %。
[0018]實(shí)施例3:
一種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法，包括如下步驟:
1)將氧化石墨稀配制成18mg/mL的去離子水分散液，按Ti02納米顆粒占紡絲液固含量為40%的比例加入T12納米顆粒，磁力攪拌得到分散均勻的紡絲液；
2)采用注射栗及的注射針頭將紡絲液注入到有5wt%CaCl2的乙醇/水(1:1 v/v)凝固浴中，浸泡15min后，取出并自然干燥得到氧化石墨烯/T12復(fù)合纖維；
3)將干燥的復(fù)合纖維在Ar氣氛中于250°C下熱處理5h，得到石墨烯/T12復(fù)合纖維；
4)將石墨烯/T12復(fù)合纖維兩端固定后，采用氧等離子體處理器在氧氣體流量400ml/min、工作功率為400W的條件下刻蝕石墨稀/Ti02復(fù)合纖維7 min，即得所述的石墨稀纖維光電極。
[0019]將石墨烯纖維光電極編織成5X 5cm網(wǎng)作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲作為輔助電極，KCl溶液(0.1 mol/L)作為電解液，測試2 X 105mol/L羅丹明B的光電轉(zhuǎn)化，氙燈光照90min后，光電轉(zhuǎn)化率為94%。
[0020]雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨稀纖維光電極，其特征在于:以Ti02納米顆粒/氧化石墨稀混合溶液為紡絲液，采用濕紡技術(shù)制備石墨烯/T12復(fù)合纖維，經(jīng)過氧等離子刻蝕即得所述的石墨烯纖維光電極。2.—種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、將氧化石墨稀配制成18mg/mL的去離子水分散液，按T i 02質(zhì)量分?jǐn)?shù)為O?60%的比例加入T12納米顆粒，磁力攪拌得到分散均勻的紡絲液； 步驟2、采用注射栗及00.5?0.9 mm的注射針頭將紡絲液注入到凝固浴中，浸泡10?30min后，取出并自然干燥得到氧化石墨烯/T12復(fù)合纖維； 步驟3、將干燥的氧化氧化石墨烯/T12復(fù)合纖維在Ar氣氛中于250?450°C下熱處理3?5h，得到石墨稀/Ti02復(fù)合纖維； 步驟4、將石墨烯/T12復(fù)合纖維兩端固定后，采用氧等離子體處理器對(duì)石墨烯/T12復(fù)合纖維進(jìn)行刻蝕，即得所述的石墨烯纖維光電極。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟I中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:T12納米顆粒占紡絲液固含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟2中的凝固浴為:含有I?5 wt% CaCl2的乙醇/水溶液，其中乙醇/水溶液為按1:1的體積比將乙醇和水均勻混合制得。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種柔性高光電轉(zhuǎn)化石墨烯纖維光電極的制備方法，其特征在于，所述的步驟4中的刻蝕條件為:氧氣體流量400ml/min，工作功率為400W，刻蝕時(shí)間為I?7 mino
【文檔編號(hào)】H01G9/20GK106024392SQ201610355838
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】楊政鵬, 朱建平, 張春靜, 張雪峰, 張春雷, 張武軍, 牛宇濤
【申請(qǐng)人】河南理工大學(xué)