石墨烯光在催化中应用研究成果---石墨烯催化网 

北极星环保网讯:摘  要：石墨烯在光催化中应用的研究一直备受关注，最近此项研究有了阶段性成果---石墨烯光催化网问世，这将会对环境修复领域，尤其是水环境修复、流域治理中的黑臭水体治理带来较大影响。石墨烯光催化网是一张沉在水下的网，只要有可见光就可工作，让水体重新恢复自净化能力，黑臭水变为清水，1年多时间的研发以及2个多月的实时效果测试表明，光催化网不受污染物影响，能对黑臭水进行原位处理，这是目前国际上唯一可用于大规模水质处理的光催化技术及产品，其核心“可见光响应的异质间高效量子转移技术”今年5月已经通过江苏省新技术鉴定。石墨烯是近年来人们发现和合成的一种新型二维平面纳米材料，由于其优良的导电性能和巨大的比表面积，研究者们用石墨烯与光催化材料复合，改善其光催化性能，这已成为新型光催化材料的研究热点之一。本文阐述了近年来国内外对于石墨烯在光催化反应中应用的研究动态和主要成果，介绍了石墨烯提高光催化效率的方法，重点介绍了石墨烯在复合、包覆和自身参与光催化反应3  个方法中的具体应用，提出通过石墨烯与某些特定的光催化材料复合而改变其禁带宽度，可为今后通过石墨烯调节其它半导体材料的禁带宽度提供有力的理论和实验依据。

能源短缺和环境污染是当前人类社会面临的两大棘手问题，直接利用太阳能解决全球性的能源和污染问题越来越受到人们的重视。光催化反应可以将太阳能转化为高密度的电能和化学能，而且可以直接用于污染物(特别是有机污染物)的降解。因此，光催化在解决当今社会能源短缺和环境污染问题方面具有巨大潜力。

1972 年Fujishima 和Honda 在Nature 杂志上报道了以TiO2  为光催化剂进行紫外光光照分解水的研究工作[1]，开辟了光催化实际应用的新纪元。自此，人们对光催化材料进行了一系列研究。当前的新型光催化材料的研究工作主要集中在减小禁带宽度和激发电子-空穴复合概率这两方面的工作。

BiVO4，具有2.4  eV的带隙，是可见光响应的光催化剂之一。单斜晶系，白钨矿BiVO4的表现出高的活性，不仅对从硝酸银水溶液的解决方案的光催化析氧，而且还会内分解化合物，如壬基酚，在可见光照射下的光催化降解。

石墨烯(graphene)是一种由 sp2杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维新纳米材料，其厚度只有 0.335 nm。2004  年曼彻斯特大学物理学教授 Geim和Novoselov等首次制得了石墨烯。石墨烯的理论比表面积高达 2600  m2/g，具有突出的导热性能和力学性能[17]，特别是在室温下具有较高的电子迁移率[250000 cm2/( V·  s)]。此外，它还具有半整数霍尔效应、独特的量子隧道效应、双极电场效应等一系列性质。尤其是其优良的导电性能和巨大的比表面积，为解决光催化反应中的瓶颈问题提供了可行途径。由于具有光催化性能的材料大部分为半导体材料，所以本文着重介绍石墨烯在提高半导体材料光催化反应效率方面的应用。

2 石墨烯提高光催化效率的方法

石墨烯提高光催化效率的方法主要3种，即复合法、包覆法和石墨烯自身参与光催化反应。现分别介绍如下。

2.1 复合法

将石墨烯与光催化材料复合是提高光催化效率的常用方法。其中与石墨烯复合的半导体材料以TiO2、Bi2WO6(简称  BWO)等居多。Li等阐明了还原型石墨烯(graphene reduced, 简称GR)作用于TiO2 提高其光催化效率的机理，如图 1 所示。

图1. Ti/Go光催化机理图

TiO2吸收光子能量后，价带电子受激而跃迁到导带，激发电子流入石墨烯片层结构中。正是因为石墨烯具有优良的导电性能，激发电子不会在光催化材料周围聚集，从而降低了空穴与电子的复合概率。有趣的是，石墨烯与  Ti —O—C 化学键相互作用，改变了TiO2 原有的禁带宽度，TiO2 在可见光区显示出较大的光化学活性，从而增大了TiO2  对于可见光的利用率。另外，石墨烯片层结构具有巨大的比表面积和共轭结构，可以吸附大量污染物，为光催化反应提供了理想的反应位，有利于反应的进行。