石墨烯在光催化中的应用

石墨烯在光催化中的应用1.石墨烯的介绍石墨烯为Sp2杂化碳原子形成的蜂窝结构二维晶体材料，自2004年首次发现以来，因其良好的力学性能，热学性能，光学性能以及电学性能而备受关注。石墨烯的热传导系数5000Wm-1K-1，常温下电子迁移速率200000cm2V-1s-1，特定条件下可达250000cm2V-1s-1，理论上比表面积更可达一2600m2g-1。迄今为止，己经有多种方法合成石墨烯，例如机械剥离法，外延定向生长法，化学氧化还原法和自下而上有机合成法。在众多的方法之中，还原被剥离的氧化石墨烯这一方法因其低投入和规模性产出己经被证明是合成石墨烯最有效以及最可信的方法。通过修饰石墨烯表面的方法则给予了石墨烯基复合材料更优异的性能。这些石墨烯基和功能化的石墨烯基复合材料具备特有的电学性质，光学性质和生物适应性质，使得这些材料在能源存储，催化，生物传感器，分子成像以及药物传输等领域有着更广阔的应用。1.1石墨烯/氧化石墨烯的物理化学特性1.1.1石墨烯的物理特性石墨烯为Spzsp杂化碳原子形成的蜂窝结构二维晶体材料，结构示意图如图1.所示，石墨烯特定的结构也为石墨烯带来了许多优异的性质。图1.石墨烯结构示意图机械特性:石墨烯是目前世界上发现的强度最高的物质，其硬度比钻石硬度还大，其强度比最好的钢铁还要高一百倍以上。导电性:石墨烯具有稳定的物理结构，所有碳原子之间的连接具有良好的柔韧性，当存在外力作用时，碳原子面会发生弯曲变形，但能够保持原来稳定的结构不变。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有良好的导电性。电子的相互作用:石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间有强烈的相互作用而且电子和电子之间也存在很强的相互作用。化学性质:石墨烯的化学性质与石墨相类似。1.1.2氧化石墨烯的物理化学特性石墨经过氧化处理后，能够形成保有石墨层状结构的氧化石墨，氧化石墨经过超声剥离后形成氧化石墨烯。氧化石墨烯可以看作是在石墨烯单片上引入了许多氧基官能团的材料。氧化石墨烯颜色为棕黄色，常见形态有粉末状、片状以及溶液状。氧化石墨烯一直被当作一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。因氧化石墨烯含有丰富的官能团，所以具有良好的亲水性，在水中具有优越的分散性。但是，今年相应实验结果表明，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从片层边缘至片层中央呈现亲水至疏水的特性分布。2.光催化降解污染物近年来，许多研究都在致力于解决源于城市和农业生产生活废水中有机污染物的处理问题，许多催化相关的技术也都被用于环境保护中。光催化因其对环境保护所起的作用（如空气清理，消毒，危险废物治理和水质净化等)成为科学研究的热门对象。石墨烯的优异性能使得石墨烯基半导体复合材料在光催化领域拥有广阔的应用空间，石墨烯基半导体复合材料己经被广泛应用于降解有机物的试验中。这些复合材料通常有较强的染料吸附能力，更宽的光谱吸收范围和更强的电子一空穴对分离能力。例如，将P25Ti02-Graphene用于光催化实验。这种复合材料对亚甲基蓝(methyleneblue}MB)在紫外光和可见光下的降解比纯P25颗粒具有更好的光催化效果。如图2.1所示，MB染料分子在溶液中通过卜兀共扼键与石墨烯负载并接触Ti02，因此与纯P25颗粒对比，P25Ti02-Graphene对染料吸附的效果大大增强。与此同时，更宽的光响应范围和更强的电子一空穴对分离能力同样使得P25Ti02-Graphene较纯P25颗粒有更好的光催化效果。另外，由于石墨烯的二维平面结构，因此同P25-CarbonNTs对比，Ti02-Graphene也同样具有更高的光催化效率。图2.1复合材料降解染料MB示意图(a)然而，同Ti0:比较，Ti02-Graphene的光催化增强效果本质上与Ti02-碳材料(碳纳米管，富勒烯和活性炭)复合材料是相一致的}，Ti02-Graphene纳米复合材料比纯Ti0:作为光催化剂降解苯具有更高的光催化活性和稳定性。关于复合材料中石墨烯在降解污染物中所起的作用，二氧化钦纳米棒一氧化石墨烯复合材料紫外光下降解染料MB的机制。如图2.2所示，氧化石墨烯片层上的电子能够和吸附的O:形成。OH自由基。如此，这种方式有效地转移了电子因而降低了电子一空穴对的复合几率，从而增强了二氧化钦纳米棒的光催化活性。研究同时发现，复合材料中使用二氧化钦纳米棒要比使用P25能够获得更好的光催化效果，主要是因为纳米棒与氧化石墨烯片层有更好的接触，因此能更有效地将电子转移到氧化石墨烯片层上。若要提高光催化效率，还可以优化半导体材料的形貌，以及将半导体材料更均匀地分布在石墨烯/氧化石墨烯片层上。图2.2二氧化钛纳米棒一氧化石墨烯复合材料降解染料原理示意图3.光催化分解水制氢氢能源因其高能容量、环境友好和可循环利用性一直被视为终极的清洁能源。利用半导体作催化剂，光催化分解水生成氢气和氧气，该法一直被视为生成氢能源的可行办法。如今，许多半导体材料也己被报道证实了能够用于催化分解水从而产生氢能源。然而，因为半导体材料内光生电子一空穴对会迅速复合，制约着实际应用过程中催化效率的提高。石墨烯因其具有优越的电子迁移速率和较大的比表面积，可以用作为电子受体来转移光生电子，促进H:和O:的分离过程，最终提高H:的生成。5.光催化杀菌因为石墨烯能够有效地增强半导体在紫外光和可见光作用下的催化效果，因此石墨烯基/氧化石墨烯基复合材料在杀菌领域也将会有广泛的应用。溶液中Graphene/Ti0:薄膜在太阳光照射下能够消灭99.9%的大肠杆菌。相对纯Ti0:薄膜而言，Graphene/Ti0:薄膜的抗菌活性有了显著的提高，并且，在光灭活细菌后，石墨烯片层依然是稳定的。材料学刘小虎