石墨烯在光催化中的應(yīng)用.doc

石墨烯在光催化中的應(yīng)用1.石墨烯的介紹石墨烯為Sp2雜化碳原子形成的蜂窩結(jié)構(gòu)二維晶體材料，自2004年首次發(fā)現(xiàn)以來，因其良好的力學(xué)性能，熱學(xué)性能，光學(xué)性能以及電學(xué)性能而備受關(guān)注。石墨烯的熱傳導(dǎo)系數(shù)5000Wm-1K-1，常溫下電子遷移速率200000cm2V-1 s-1，特定條件下可達(dá)250000cm2V-1 s-1，理論上比表面積更可達(dá)一2600m2g -1。迄今為止，己經(jīng)有多種方法合成石墨烯，例如機(jī)械剝離法，外延定向生長法，化學(xué)氧化還原法和自下而上有機(jī)合成法。在眾多的方法之中，還原被剝離的氧化石墨烯這一方法因其低投入和規(guī)模性產(chǎn)出己經(jīng)被證明是合成石墨烯最有效以及最可信的方法。通過修飾石墨烯表面的方法則給予了石墨烯基復(fù)合材料更優(yōu)異的性能。這些石墨烯基和功能化的石墨烯基復(fù)合材料具備特有的電學(xué)性質(zhì)，光學(xué)性質(zhì)和生物適應(yīng)性質(zhì)，使得這些材料在能源存儲，催化，生物傳感器，分子成像以及藥物傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著更廣闊的應(yīng)用。1.1石墨烯/氧化石墨烯的物理化學(xué)特性1.1.1石墨烯的物理特性石墨烯為Spzsp雜化碳原子形成的蜂窩結(jié)構(gòu)二維晶體材料，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.所示，石墨烯特定的結(jié)構(gòu)也為石墨烯帶來了許多優(yōu)異的性質(zhì)。圖1.石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)械特性:石墨烯是目前世界上發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，其硬度比鉆石硬度還大，其強(qiáng)度比最好的鋼鐵還要高一百倍以上。導(dǎo)電性:石墨烯具有穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)，所有碳原子之間的連接具有良好的柔韌性，當(dāng)存在外力作用時，碳原子面會發(fā)生彎曲變形，但能夠保持原來穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)不變。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有良好的導(dǎo)電性。電子的相互作用:石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間有強(qiáng)烈的相互作用而且電子和電子之間也存在很強(qiáng)的相互作用?；瘜W(xué)性質(zhì):石墨烯的化學(xué)性質(zhì)與石墨相類似。1.1.2氧化石墨烯的物理化學(xué)特性 石墨經(jīng)過氧化處理后，能夠形成保有石墨層狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨，氧化石墨經(jīng)過超聲剝離后形成氧化石墨烯。氧化石墨烯可以看作是在石墨烯單片上引入了許多氧基官能團(tuán)的材料。氧化石墨烯顏色為棕黃色，常見形態(tài)有粉末狀、片狀以及溶液狀。氧化石墨烯一直被當(dāng)作一種非傳統(tǒng)型態(tài)的軟性材料，具有聚合物、膠體、薄膜，以及兩性分子的特性。因氧化石墨烯含有豐富的官能團(tuán)，所以具有良好的親水性，在水中具有優(yōu)越的分散性。但是，今年相應(yīng)實驗結(jié)果表明，氧化石墨烯實際上具有兩親性，從片層邊緣至片層中央呈現(xiàn)親水至疏水的特性分布。2.光催化降解污染物近年來，許多研究都在致力于解決源于城市和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活廢水中有機(jī)污染物的處理問題，許多催化相關(guān)的技術(shù)也都被用于環(huán)境保護(hù)中。光催化因其對環(huán)境保護(hù)所起的作用（如空氣清理，消毒，危險廢物治理和水質(zhì)凈化等)成為科學(xué)研究的熱門對象。石墨烯的優(yōu)異性能使得石墨烯基半導(dǎo)體復(fù)合材料在光催化領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用空間，石墨烯基半導(dǎo)體復(fù)合材料己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于降解有機(jī)物的試驗中。這些復(fù)合材料通常有較強(qiáng)的染料吸附能力，更寬的光譜吸收范圍和更強(qiáng)的電子一空穴對分離能力。例如，將P25 Ti02-Graphene用于光催化實驗。這種復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)(methylene blue MB)在紫外光和可見光下的降解比純P25顆粒具有更好的光催化效果。如圖2.1所示，MB染料分子在溶液中通過卜兀共扼鍵與石墨烯負(fù)載并接觸Ti02，因此與純P25顆粒對比，P25 Ti02-Graphene對染料吸附的效果大大增強(qiáng)。與此同時，更寬的光響應(yīng)范圍和更強(qiáng)的電子一空穴對分離能力同樣使得P25 Ti02-Graphene較純P25顆粒有更好的光催化效果。另外，由于石墨烯的二維平面結(jié)構(gòu)，因此同P25-Carbon NTs對比，Ti02-Graphene也同樣具有更高的光催化效率。圖2.1 復(fù)合材料降解染料MB示意圖(a)然而，同Ti0:比較，Ti02-Graphene的光催化增強(qiáng)效果本質(zhì)上與Ti02-碳材料(碳納米管，富勒烯和活性炭)復(fù)合材料是相一致的，Ti02-Graphene納米復(fù)合材料比純Ti0:作為光催化劑降解苯具有更高的光催化活性和穩(wěn)定性。關(guān)于復(fù)合材料中石墨烯在降解污染物中所起的作用，二氧化欽納米棒一氧化石墨烯復(fù)合材料紫外光下降解染料MB的機(jī)制。如圖2.2所示，氧化石墨烯片層上的電子能夠和吸附的O:形成。OH自由基。如此，這種方式有效地轉(zhuǎn)移了電子因而降低了電子一空穴對的復(fù)合幾率，從而增強(qiáng)了二氧化欽納米棒的光催化活性。研究同時發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料中使用二氧化欽納米棒要比使用P25能夠獲得更好的光催化效果，主要是因為納米棒與氧化石墨烯片層有更好的接觸，因此能更有效地將電子轉(zhuǎn)移到氧化石墨烯片層上。若要提高光催化效率，還可以優(yōu)化半導(dǎo)體材料的形貌，以及將半導(dǎo)體材料更均勻地分布在石墨烯/氧化石墨烯片層上。圖2.2 二氧化鈦納米棒一氧化石墨烯復(fù)合材料降解染料原理示意圖3.光催化分解水制氫 氫能源因其高能容量、環(huán)境友好和可循環(huán)利用性一直被視為終極的清潔能源。利用半導(dǎo)體作催化劑，光催化分解水生成氫氣和氧氣，該法一直被視為生成氫能源的可行辦法。如今，許多半導(dǎo)體材料也己被報道證實了能夠用于催化分解水從而產(chǎn)生氫能源。然而，因為半導(dǎo)體材料內(nèi)光生電子一空穴對會迅速復(fù)合，制約著實際應(yīng)用過程中催化效率的提高。石墨烯因其具有優(yōu)越的電子遷移速率和較大的比表面積，可以用作為電子受體來轉(zhuǎn)移光生電子，促進(jìn)H:和O:的分離過程，最終提高H:的生成。5.光催化殺菌 因為石墨烯能夠有效地增強(qiáng)半導(dǎo)體在紫外光和可見光作用下的催化效果，因此石墨烯基/氧化石墨烯基復(fù)合材料在殺菌領(lǐng)域也將