石墨烯基光催化材料

1.背景介紹

當前，能源危機和環境污染是人類社會面臨的兩大棘手問題，利用光能（尤其是太陽光能）解決全球性的能源和污染問題引起國內外研究者的關注和重視。光催化劑在適合波長的光激發下，會發生光化學反應，可以將光能轉化為電能和化學能，可以降解污染物（特別是有機污染物）和殺滅細菌等。因此，光催化材料在解決能源短缺和環境污染問題方面具有巨大潛力。

目前，研究和應用較多的光催化劑有納米TiO2、ZnO和CdS等化合物。但是，納米顆粒一方面因具有高的比表面積和高的活性，而易於團聚、難以分散和回收，影響其光催化性能和效率。另一方面，光催化中產生的電子和空穴易於複合，也影響了光催化效率。

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂窩狀晶格結構的碳質材料。自

2004年Geim等[2]利用微機械剝離法得到這種二維原子晶體以來，石墨烯的研究便受到了廣泛的關注。石墨烯具有優異的電學、熱學、光學和力學性能，如理論比表面積高、導電性能優良以及室溫下電子遷移率高等。由於石墨烯具有比碳納米管（CNT）、富勒烯（C60）更優異的電子結構、電學性質及化學穩定性，使得石墨烯可以成為比碳納米管更好地傳遞電子-空穴的多功能材料。

2.石墨烯在光催化材料中的功能

石墨烯具有突出的導熱性能和力學性能，其理論比表面積高2600m2/g，特別是在室溫下具有較高的電子遷移率[250000 cm2/(V?s)]。這些優異的性能為解決光催化反應中的瓶頸問題提供了可行途徑。利用石墨烯複合可以從以下幾個方面來改善和提高光催化性能：

1） 減小禁帶寬度

對於光催化材料，禁帶寬度決定了光化學活性區的位置。禁帶寬度過大，勢必要求激發光子能量增大，所以禁帶寬度較大的光催化材料只能在紫外區顯示出光化學活性。在現實環境中，紫外光製備困難且成本較高，而占太陽光45%的可見光又無法被充分利用，如此低的可見光利用率，將大大降低光催化材料在現實應用中的光催化效率。而讓石墨烯與某些特定光催化材料相互複合可以在一定程度上減小禁帶寬度，從而增加可見光的利用率，提高光催化效率。

2）抑制電子-空穴複合激發電子-空穴複合

概率問題是整個光催化反應中的關鍵問題。光催化材料吸收一個光子的能量，價帶的電子受激發而躍遷到導帶。由化學動力學理論可以得出，處於高能級的激發電子不穩定，激發電子-空穴複合的動力學常數遠大於激發電子-空穴分離的動力學常數，所以激發電子與空穴會自發的發生複合反應。隨著激發電子與空穴複合反應結束，光催化過程也就終止。由此可知，提高光催化效率的有效方法之一就是抑制激發電子-空穴的複合反應。利用石墨烯優良的導電性能，可以使激發電子迅速遷移到石墨烯片層結構中，而不是積累在催化材料表面，這就降低了激發電子與空穴複合的概率，從而提高了半導體材料光催化效率。

3）光催化劑的吸附性能

光催化材料一個主要的應用是污染物凈化，這就要求光催化材料對污染物有很強的吸附性，從而使光催化反應中生成的激發電子和自由基可以與污染物充分接觸。利用石墨烯巨大的比表面積吸附污染物，再通過位於石墨烯片層結構表面的激發電子和空穴的氧化產物-自由基處理污染物。由此可見，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提供反應位。

3.石墨烯基光催化材料的應用領域

1）清潔能源（產氫）

光催化產氫技術是一種利用光激發半導體產生的光生電荷分解水產生氫氣的技術。這一技術可望轉化太陽能為氫能來替代日漸枯竭且污染環境的化石能源。該技術的核心是高效光催化劑的開發。但是，傳統產氫光催化劑的光生電子-空穴容易複合且其表面反應速度慢，導致光能轉化效率低。石墨烯具有原子層厚度且電子-空穴遷移速率高的特點，有利於光生電荷的分離與遷移，另外，二維納米材料大的比表面積和邊緣活性點位對錶面反應有利。因此，石墨烯基光催化材料是一種理想的新型高效光催化產氫材料。

2）環境凈化

近年來，環境污染問題越來越引起人們的重視。利用光催化技術來治理污染是一種新型的高效環保策略。光催化可以將有機污染物（染料、有機磷、有機氯）、細菌、病毒等礦化成無危害的無機化合物；可以還原高毒性的重金屬為無毒或低毒性的狀態；也可以降解甲醛、苯類等揮發性有毒氣體。

圖1石墨烯基複合材料的光催化示意圖

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