石墨烯/TiO2 复合物在光催化领域的研究进展

周刘洋， 金燚翥

（1.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司， 沈阳 110041 ；2.哈尔滨电碳厂，哈尔滨 150025）

0 引言

随着社会、经济的发展，水质污染问题严重影响和威胁着人类的生存和健康，制约着经济和社会的发展。其主要来源有两个方面：一是水体中的生物群体产生的有机物以及水体底泥释放的有机物；二是外界向水体中排放的有机物。治理有机污染物的，探索新型高效的有机污染物处理方法，是提高人民生活水平和生活质量，促进社会可持续发展的迫切需要。

目前工业上常见的水处理方法存在着不同程度的问题，特别是根据某些水处理标准，现有方法难以完全去除水中的有毒有机物。因此，提高水处理的技术水平，探索更为经济有效的水处理方法成为当前各国研究的重点。

1 二氧化钛在光催化方面的应用

TiO2光催化降解技术的反应条件温和、污染物降解彻底、效率高、无生二次污染，是目前最具前景的污水处理方法之一，已经成为当今世界广泛关注和研究的课题。

光催化技术的基础是寻找稳定、廉价、高性能的半导体催化剂，而现阶段TiO2光催化剂因其操作简单、能耗少、降解速度快、降解范围广，成本低廉，以及其优异的光催化性能使其成为最有前途的半导体光催化剂之一。

近年来，一维 TiO2纳米材料的可控合成更是为该种材料在光催化领域的应用提供了更广阔的空间[1]。而且TiO2的晶体结构存在三种结构形式分别是锐钛矿、金红石和板钛矿，不同晶体结构的 TiO2性能也存在不同的差异以及用途，其中锐钛矿型的TiO2在紫外光下表现出优异的光催化性能[2-3]。

但是在实际应用中，TiO2作为光催化剂还存在一些缺陷，首先 TiO2的光生电子和光生空穴的寿命极短，二者很容易复合，从而使 TiO2的量子产率低，光催化活性不高；其次由于TiO2具有宽的带隙，锐钛矿型的TiO2禁带宽度为 3.2eV，激发光仅限于波长小于390nm 的紫外光区域，限制了 TiO2对太阳光的利用；最后，TiO2的比表面积不高，吸附能力差，反应后回收困难。

综上所述，对 TiO2光催化剂进行改性，抑制光生电子和光生空穴的复合，提高其量子效率，扩大其光响应波长至可见光区域（可见光占太阳光辐射的 46%左右），提高比表面积，以便更大程度的利用太阳光，是 TiO2光催化纳米复合材料未来发展的方向。

2 石墨烯/ TiO2 复合物在光催化领域的研究

石墨烯（GN）是由单层sp2杂化的碳原子以化学键连接，呈蜂巢晶格排列的稳定六边形平面二维纳米材料。近年来，由于石墨烯本身具有的优异性能，并且其表面富含大量的活性基团，容易和氧化物纳米结构材料结合形成复合物，因此石墨烯/氧化物复合材料已经被大量研究[4-6]。

据相关研究表明：石墨烯/TiO2纳米复合材料可以延伸光吸收范围，同时能将形成的光生电子和空穴快速分离。除此以外，其具有更高的吸附能力、高光催化活性和可见光敏感性。

崔晓莉等[7，8]制备了不同的石墨烯/ TiO2纳米结构的复合物，并研究了其催化裂解水制氢的性能，在紫外-可见光的照射下，石墨烯/TiO2复合材料的光催化分解水产氢率达到了 8.6 u mo/h。

李景虹等[9]等制备了 P25-石墨烯纳米复合材料，P25 纳米粒子负载在石墨烯纳米薄片上，复合材料的染料吸附性能有所提高，光的吸收范围有所增加，电荷分离性能进一步提升，P25-石墨烯纳米复合材料的光催化活性比纯 TiO2有着很大的提升，且比CNTs-P25 复合材料具有更高的光催化活性。P25-石墨烯光催化降解亚甲基蓝的机理如图1 所示。

图1 P25-石墨烯光催化降解亚甲基蓝的机理Fig.1 mechanism of photocatalytic degradation of methylene blue by P25 graphene

王祥科等[10]合成了石墨烯- TiO2可见光光催化剂“dyade”状结构。该石墨烯- TiO2纳米复合材料具有锐钛型，在可见光区域能吸收大量的光能量，驱动有效的光化学降解反应。他们发现，石墨烯在电子运输和吸附两个方面提高了TiO2的光催化活性。

由于石墨烯的独特性能，石墨烯/TiO2纳米复合材料可以延伸光吸收范围，以及有着简单的电荷输运可以将形成的光生电子和空穴快速分离。石墨烯/TiO2纳米复合材料是一种很有前途的光催化剂，并且具有更高的吸附能力、高光催化活性和可见光敏感性。

3 展望

当前，很多研究报道了石墨烯/ TiO2的纳米复合材料，其中包括石墨烯作为生长 TiO2纳米结构的载体，但是到目前为止，很少有报道细致研究 TiO2纳米结构在石墨烯上的生长过程，而基于石墨烯模板上可控制备不同晶型的TiO2纳米结构的研究更少。在石墨烯功能化的基础上，通过实验条件的调节，在石墨烯载体上实现 TiO2纳米晶的可控构筑，在石墨烯表面合成晶型与尺度可控的TiO2纳米晶体，并制备出石墨烯基TiO2的二元、三元纳米复合材料，有效抑制了TiO2的光生电子和光生空穴的复合，提高了TiO2在可见光下的光催化效能，增强了 TiO2纳米结构复合物在光催化降解水体中有机污染物的效率，为TiO2纳米材料的研究提供了新的思路。