石墨稀納米復(fù)合材料的制備及其光催化應(yīng)用研究

【摘 要】石墨稀作為一種新型的納米材料，因其優(yōu)異的特性，受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，在不同的領(lǐng)域都得到了一定的應(yīng)用。本文介紹了石墨稀復(fù)合材料的一般制備方法，并對(duì)其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用研究做了具體的介紹，探討了石墨稀復(fù)合材料提高光催化劑活性的內(nèi)在原因。

【關(guān)鍵詞】石墨稀 制備 光催化

1.引言

石墨稀是一種新型的二維蜂窩狀的碳納米材料。碳原子以sp2軌道雜化成鍵，有著很強(qiáng)的穩(wěn)定性、大的比表面積、高導(dǎo)電性能、磁學(xué)性能和高吸附性等物理化學(xué)性質(zhì)。將石墨稀作為載體，與各類金屬催化劑制備成的石墨稀納米復(fù)合材料，擁有更強(qiáng)的催化性能和效果。石墨烯復(fù)合材料的研究已經(jīng)在光催化、電催化、醫(yī)藥應(yīng)用等領(lǐng)域中開(kāi)展并取得了一定的成果。在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用研究顯得尤為突出和重要。

2.石墨稀納米復(fù)合材料的制備

目前石墨烯的主要制備方法有：機(jī)械剝離法、化學(xué)還原法、晶體外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法等，其中化學(xué)還原法是最簡(jiǎn)單有效的制備方法，應(yīng)用化學(xué)還原法制備石墨烯以及其復(fù)合物可分為4類。

2.1 使催化劑前體在還原后的石墨烯上生長(zhǎng)，并且對(duì)石墨烯表面進(jìn)行不斷的化學(xué)修飾，可避免石墨烯薄片聚集，還可以增強(qiáng)石墨稀與催化劑之間的相互作用。通過(guò)驗(yàn)證證明，經(jīng)化學(xué)修飾后的石墨烯復(fù)合物的互溶性及反應(yīng)的活性位都得到了增強(qiáng)。

2.2 首先使有著完美結(jié)構(gòu)的催化劑盡可能沉積在石墨烯氧化物的表面上。在石墨烯氧化物表面上，有大量含氧官能團(tuán)存在，使得催化劑能夠均勻地分布在其表面上。在經(jīng)對(duì)搭載有催化劑的石墨稀氧化物進(jìn)行還原，便可得到石墨烯復(fù)合物。

2.3 利用原位生長(zhǎng)和還原法制備，就是先把石墨烯的氧化物同催化劑前體進(jìn)行混合，再經(jīng)化學(xué)修飾和還原，來(lái)制備石墨烯復(fù)合物的實(shí)驗(yàn)手段。常用的還原劑有硼氫化鈉等。

2.4 利用一鍋生長(zhǎng)法來(lái)制備石墨烯的復(fù)合物，通常把石墨烯的氧化物和催化劑前體先在高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行直接混合，這樣，石墨烯氧化物被還原的同時(shí)，催化劑也在不斷的生長(zhǎng)。最終得到具有較好作用的化學(xué)鍵的石墨稀復(fù)合材料。

此外，超聲化學(xué)法也常用于制備石墨稀復(fù)合材料。即利用超聲波引發(fā)的特殊物理和化學(xué)條件，來(lái)加強(qiáng)和改善液-固非均勻體系的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，強(qiáng)化反應(yīng)傳質(zhì)過(guò)程，進(jìn)而控制晶體生長(zhǎng)以及團(tuán)聚的發(fā)展，得到粒度分布較窄的超細(xì)顆粒。

3.石墨稀納米復(fù)合材料的光催化應(yīng)用

3.1 石墨稀提高光催化劑效率的原因

通過(guò)將光催化劑搭載到石墨稀上，形成石墨烯復(fù)合材料，可以很好的改善催化劑的性能，彌補(bǔ)光催化劑本身的不足。使石墨稀與某些光催化材料復(fù)合，可以適當(dāng)減小禁帶寬度，提高對(duì)可見(jiàn)光的利用效率，提高該催化劑的光催化率。石墨烯有高導(dǎo)電性，當(dāng)電子得到能量激發(fā)時(shí)，能夠輕易地遷移到石墨烯片層結(jié)構(gòu)中，降低激發(fā)電子與空穴復(fù)合的概率，提高其催化效率。石墨烯有大的比表面積，可以很好地吸附污染物，并通過(guò)激發(fā)電子和空穴的氧化產(chǎn)物-自由基處理污染物。由此可見(jiàn)，石墨烯不僅起到吸附污染物的作用，而且還可以為光催化反應(yīng)提供良好的反應(yīng)位。

3.2 石墨稀復(fù)合材料的光催化應(yīng)用研究

劉輝等人通過(guò)控制鈦酸丁酯在氧化石墨烯表面原位水解的方法制備石墨烯與二氧化鈦復(fù)合光催化劑，并進(jìn)行了性能測(cè)定。由石墨稀-二氧化鈦的SEM分析可知，在石墨稀表面生成了密集的二氧化鈦納米層，該結(jié)構(gòu)可以加速催化反應(yīng)，提高光催化的效率。由石墨稀紫外分析可知，二氧化鈦吸收發(fā)生紅移，同時(shí)提高了吸收強(qiáng)度，擴(kuò)大了吸收波長(zhǎng)的范圍，有效改善了二氧化鈦的禁帶寬度，提高光催化效率。降解羅丹明B模擬污染物測(cè)試結(jié)果表明，石墨稀-二氧化鈦復(fù)合材料在可見(jiàn)光區(qū)域有較強(qiáng)的吸收，同時(shí)，由于其表面的羅丹明B富集度提高，進(jìn)而提高了其光催化活性。

周田等人利用超聲化學(xué)法制備了CdS與石墨烯納米復(fù)合材料，并對(duì)該復(fù)合催化劑進(jìn)行了性質(zhì)分析和光催化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，CdS與石墨烯納米復(fù)合材料的衍射峰明顯變寬，石墨烯上負(fù)載的CdS 尺寸小，原因是石墨烯的存在，阻止了CdS 晶粒的長(zhǎng)大和團(tuán)聚。在石墨稀的片層結(jié)構(gòu)上，均勻地密布著CdS微粒，并形成了大的納米層。依據(jù)石墨烯的特性，可作為性能優(yōu)良的電子接受體，CdS 納米粒子因受光激發(fā)后，產(chǎn)生的光生電子會(huì)迅速?gòu)腃dS 轉(zhuǎn)移到石墨烯的片層表面，使發(fā)射強(qiáng)度減弱，復(fù)合材料的吸收曲線發(fā)生了藍(lán)移，且發(fā)光強(qiáng)度有顯著地降低。

3.3 總結(jié)

眾多的研究都表明，通過(guò)將光催化劑搭載到石墨稀上，形成納米復(fù)合材料，可以很好地改善催化劑本身的禁帶寬度大、激發(fā)電子與空穴的負(fù)荷率高等的缺點(diǎn)；同時(shí)，利用石墨稀本身的物理化學(xué)特性，如優(yōu)異的導(dǎo)電性、大的表面積的等，大大的提高催化劑的光催化效率。因此，石墨稀復(fù)合材料將廣泛的應(yīng)用于光催化領(lǐng)域中。

4.應(yīng)用展望

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，水將會(huì)成為未來(lái)的新能源。目前，利用光能催化分解水制氫的研究主要集中于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體催化制氫、光生物催化制氫和還原水制氫，而已有的光催化分解水制氫體系效率低下，只能在紫外光范圍內(nèi)工作。所以，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，并與石墨稀復(fù)合形成的復(fù)合材料，探索一種高效的光催化制氫的體系變的十分重要，并有著很大的潛在實(shí)用價(jià)值。這將為石墨稀復(fù)合材料提供廣大的發(fā)展空間。

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