石墨烯/TiO2 復(fù)合物在光催化領(lǐng)域的研究進(jìn)展

周劉洋， 金燚翥

（1.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司， 沈陽 110041 ；2.哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

0 引言

隨著社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水質(zhì)污染問題嚴(yán)重影響和威脅著人類的生存和健康，制約著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。其主要來源有兩個方面：一是水體中的生物群體產(chǎn)生的有機(jī)物以及水體底泥釋放的有機(jī)物；二是外界向水體中排放的有機(jī)物。治理有機(jī)污染物的，探索新型高效的有機(jī)污染物處理方法，是提高人民生活水平和生活質(zhì)量，促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。

目前工業(yè)上常見的水處理方法存在著不同程度的問題，特別是根據(jù)某些水處理標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有方法難以完全去除水中的有毒有機(jī)物。因此，提高水處理的技術(shù)水平，探索更為經(jīng)濟(jì)有效的水處理方法成為當(dāng)前各國研究的重點。

1 二氧化鈦在光催化方面的應(yīng)用

TiO2光催化降解技術(shù)的反應(yīng)條件溫和、污染物降解徹底、效率高、無生二次污染，是目前最具前景的污水處理方法之一，已經(jīng)成為當(dāng)今世界廣泛關(guān)注和研究的課題。

光催化技術(shù)的基礎(chǔ)是尋找穩(wěn)定、廉價、高性能的半導(dǎo)體催化劑，而現(xiàn)階段TiO2光催化劑因其操作簡單、能耗少、降解速度快、降解范圍廣，成本低廉，以及其優(yōu)異的光催化性能使其成為最有前途的半導(dǎo)體光催化劑之一。

近年來，一維 TiO2納米材料的可控合成更是為該種材料在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更廣闊的空間[1]。而且TiO2的晶體結(jié)構(gòu)存在三種結(jié)構(gòu)形式分別是銳鈦礦、金紅石和板鈦礦，不同晶體結(jié)構(gòu)的 TiO2性能也存在不同的差異以及用途，其中銳鈦礦型的TiO2在紫外光下表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性能[2-3]。

但是在實際應(yīng)用中，TiO2作為光催化劑還存在一些缺陷，首先 TiO2的光生電子和光生空穴的壽命極短，二者很容易復(fù)合，從而使 TiO2的量子產(chǎn)率低，光催化活性不高；其次由于TiO2具有寬的帶隙，銳鈦礦型的TiO2禁帶寬度為 3.2eV，激發(fā)光僅限于波長小于390nm 的紫外光區(qū)域，限制了 TiO2對太陽光的利用；最后，TiO2的比表面積不高，吸附能力差，反應(yīng)后回收困難。

綜上所述，對 TiO2光催化劑進(jìn)行改性，抑制光生電子和光生空穴的復(fù)合，提高其量子效率，擴(kuò)大其光響應(yīng)波長至可見光區(qū)域（可見光占太陽光輻射的 46%左右），提高比表面積，以便更大程度的利用太陽光，是 TiO2光催化納米復(fù)合材料未來發(fā)展的方向。

2 石墨烯/ TiO2 復(fù)合物在光催化領(lǐng)域的研究

石墨烯（GN）是由單層sp2雜化的碳原子以化學(xué)鍵連接，呈蜂巢晶格排列的穩(wěn)定六邊形平面二維納米材料。近年來，由于石墨烯本身具有的優(yōu)異性能，并且其表面富含大量的活性基團(tuán)，容易和氧化物納米結(jié)構(gòu)材料結(jié)合形成復(fù)合物，因此石墨烯/氧化物復(fù)合材料已經(jīng)被大量研究[4-6]。

據(jù)相關(guān)研究表明：石墨烯/TiO2納米復(fù)合材料可以延伸光吸收范圍，同時能將形成的光生電子和空穴快速分離。除此以外，其具有更高的吸附能力、高光催化活性和可見光敏感性。

崔曉莉等[7，8]制備了不同的石墨烯/ TiO2納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合物，并研究了其催化裂解水制氫的性能，在紫外-可見光的照射下，石墨烯/TiO2復(fù)合材料的光催化分解水產(chǎn)氫率達(dá)到了 8.6 u mo/h。

李景虹等[9]等制備了 P25-石墨烯納米復(fù)合材料，P25 納米粒子負(fù)載在石墨烯納米薄片上，復(fù)合材料的染料吸附性能有所提高，光的吸收范圍有所增加，電荷分離性能進(jìn)一步提升，P25-石墨烯納米復(fù)合材料的光催化活性比純 TiO2有著很大的提升，且比CNTs-P25 復(fù)合材料具有更高的光催化活性。P25-石墨烯光催化降解亞甲基藍(lán)的機(jī)理如圖1 所示。

圖1 P25-石墨烯光催化降解亞甲基藍(lán)的機(jī)理Fig.1 mechanism of photocatalytic degradation of methylene blue by P25 graphene

王祥科等[10]合成了石墨烯- TiO2可見光光催化劑“dyade”狀結(jié)構(gòu)。該石墨烯- TiO2納米復(fù)合材料具有銳鈦型，在可見光區(qū)域能吸收大量的光能量，驅(qū)動有效的光化學(xué)降解反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，石墨烯在電子運(yùn)輸和吸附兩個方面提高了TiO2的光催化活性。

由于石墨烯的獨特性能，石墨烯/TiO2納米復(fù)合材料可以延伸光吸收范圍，以及有著簡單的電荷輸運(yùn)可以將形成的光生電子和空穴快速分離。石墨烯/TiO2納米復(fù)合材料是一種很有前途的光催化劑，并且具有更高的吸附能力、高光催化活性和可見光敏感性。

3 展望

當(dāng)前，很多研究報道了石墨烯/ TiO2的納米復(fù)合材料，其中包括石墨烯作為生長 TiO2納米結(jié)構(gòu)的載體，但是到目前為止，很少有報道細(xì)致研究 TiO2納米結(jié)構(gòu)在石墨烯上的生長過程，而基于石墨烯模板上可控制備不同晶型的TiO2納米結(jié)構(gòu)的研究更少。在石墨烯功能化的基礎(chǔ)上，通過實驗條件的調(diào)節(jié)，在石墨烯載體上實現(xiàn) TiO2納米晶的可控構(gòu)筑，在石墨烯表面合成晶型與尺度可控的TiO2納米晶體，并制備出石墨烯基TiO2的二元、三元納米復(fù)合材料，有效抑制了TiO2的光生電子和光生空穴的復(fù)合，提高了TiO2在可見光下的光催化效能，增強(qiáng)了 TiO2納米結(jié)構(gòu)復(fù)合物在光催化降解水體中有機(jī)污染物的效率，為TiO2納米材料的研究提供了新的思路。