石墨稀納米復合材料的制備及其光催化應用研究

【摘 要】石墨稀作為一種新型的納米材料，因其優異的特性，受到了國內外的廣泛關注，在不同的領域都得到了一定的應用。本文介紹了石墨稀復合材料的一般制備方法，并對其在光催化領域的應用研究做了具體的介紹，探討了石墨稀復合材料提高光催化劑活性的內在原因。

【關鍵詞】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，有著很強的穩定性、大的比表面積、高導電性能、磁學性能和高吸附性等物理化學性質。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合材料，擁有更強的催化性能和效果。石墨烯復合材料的研究已經在光催化、電催化、醫藥應用等領域中開展并取得了一定的成果。在光催化領域的應用研究顯得尤為突出和重要。

2.石墨稀納米復合材料的制備

目前石墨烯的主要制備方法有：機械剝離法、化學還原法、晶體外延生長法、化學氣相沉積法等，其中化學還原法是最簡單有效的制備方法，應用化學還原法制備石墨烯以及其復合物可分為4類。

2.1 使催化劑前體在還原后的石墨烯上生長，并且對石墨烯表面進行不斷的化學修飾，可避免石墨烯薄片聚集，還可以增強石墨稀與催化劑之間的相互作用。通過驗證證明，經化學修飾后的石墨烯復合物的互溶性及反應的活性位都得到了增強。

2.2 首先使有著完美結構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，有大量含氧官能團存在，使得催化劑能夠均勻地分布在其表面上。在經對搭載有催化劑的石墨稀氧化物進行還原，便可得到石墨烯復合物。

2.3 利用原位生長和還原法制備，就是先把石墨烯的氧化物同催化劑前體進行混合，再經化學修飾和還原，來制備石墨烯復合物的實驗手段。常用的還原劑有硼氫化鈉等。

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

此外，超聲化學法也常用于制備石墨稀復合材料。即利用超聲波引發的特殊物理和化學條件，來加強和改善液-固非均勻體系的化學反應過程，強化反應傳質過程，進而控制晶體生長以及團聚的發展，得到粒度分布較窄的超細顆粒。

3.石墨稀納米復合材料的光催化應用

3.1 石墨稀提高光催化劑效率的原因

通過將光催化劑搭載到石墨稀上，形成石墨烯復合材料，可以很好的改善催化劑的性能，彌補光催化劑本身的不足。使石墨稀與某些光催化材料復合，可以適當減小禁帶寬度，提高對可見光的利用效率，提高該催化劑的光催化率。石墨烯有高導電性，當電子得到能量激發時，能夠輕易地遷移到石墨烯片層結構中，降低激發電子與空穴復合的概率，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良好的反應位。

3.2 石墨稀復合材料的光催化應用研究

劉輝等人通過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合光催化劑，并進行了性能測定。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，該結構可以加速催化反應，提高光催化的效率。由石墨稀紫外分析可知，二氧化鈦吸收發生紅移，同時提高了吸收強度，擴大了吸收波長的范圍，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模擬污染物測試結果表明，石墨稀-二氧化鈦復合材料在可見光區域有較強的吸收，同時，由于其表面的羅丹明B富集度提高，進而提高了其光催化活性。

周田等人利用超聲化學法制備了CdS與石墨烯納米復合材料，并對該復合催化劑進行了性質分析和光催化實驗。實驗表明，CdS與石墨烯納米復合材料的衍射峰明顯變寬，石墨烯上負載的CdS 尺寸小，原因是石墨烯的存在，阻止了CdS 晶粒的長大和團聚。在石墨稀的片層結構上，均勻地密布著CdS微粒，并形成了大的納米層。依據石墨烯的特性，可作為性能優良的電子接受體，CdS 納米粒子因受光激發后，產生的光生電子會迅速從CdS 轉移到石墨烯的片層表面，使發射強度減弱，復合材料的吸收曲線發生了藍移，且發光強度有顯著地降低。

3.3 總結

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

4.應用展望

經研究發現，水將會成為未來的新能源。目前，利用光能催化分解水制氫的研究主要集中于無機半導體催化制氫、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工作。所以，通過選擇適當的催化劑，并與石墨稀復合形成的復合材料，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用價值。這將為石墨稀復合材料提供廣大的發展空間。

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