石墨烯在光催化中应用
《2024年石墨烯氮化碳的内建电场调控及其光催化产氢性能研究》范文
《石墨烯氮化碳的内建电场调控及其光催化产氢性能研究》篇一摘要：随着科技的飞速发展，新型二维材料在光电催化领域展现出巨大的应用潜力。
本文以石墨烯氮化碳（g-C3N5）为研究对象，深入探讨了其内建电场的调控机制以及在光催化产氢方面的性能。
通过理论分析和实验验证，为石墨烯氮化碳在光催化领域的应用提供了新的思路和方向。
一、引言石墨烯氮化碳（g-C3N5）作为一种新型的二维材料，因其独特的电子结构和物理化学性质，在光催化领域展现出广阔的应用前景。
然而，其光催化性能受多种因素影响，其中内建电场的调控是关键之一。
本文旨在研究石墨烯氮化碳的内建电场调控方法，以及其在光催化产氢方面的性能表现。
二、石墨烯氮化碳的结构与性质石墨烯氮化碳（g-C3N5）具有类似石墨的层状结构，层内通过C-N键连接形成共轭体系。
其独特的电子结构和物理化学性质使其在光催化领域具有潜在的应用价值。
然而，其光催化性能受内建电场的影响较大，因此，调控内建电场成为提高其光催化性能的关键。
三、内建电场的调控方法1. 元素掺杂：通过引入杂质元素，如硫、磷等，改变石墨烯氮化碳的电子结构，从而调控内建电场。
2. 缺陷工程：通过控制合成过程中的条件，引入适量的缺陷，改变石墨烯氮化碳的电子传输性能，进而影响内建电场。
3. 外部电场作用：利用外部电场对石墨烯氮化碳进行电场处理，改变其内建电场的分布和强度。
四、光催化产氢性能研究1. 实验方法：采用紫外-可见光谱、光电流测试、产氢速率测定等方法，研究石墨烯氮化碳的光催化产氢性能。
2. 结果分析：通过对比不同调控方法下的光催化产氢性能，发现元素掺杂和外部电场作用能够显著提高石墨烯氮化碳的光催化产氢性能。
其中，适量的硫掺杂和适当的外部电场处理能够使光催化产氢速率提高数倍。
3. 性能优化：通过优化调控参数，如掺杂浓度、电场强度等，进一步提高了石墨烯氮化碳的光催化产氢性能。
五、结论本文通过理论分析和实验验证，研究了石墨烯氮化碳的内建电场调控方法及其在光催化产氢方面的性能表现。
石墨烯光催化降解甲醛复合材料性能的研究进展
石墨烯光催化降解甲醛复合材料性能的研究进展
胡洪亮;徐海博;李晶辉
【期刊名称】《化工技术与开发》
【年(卷),期】2024(53)1
【摘要】甲醛为室内常见的挥发性有机污染物之一,长期吸入会对人体造成不可逆的伤害。
光催化降解甲醛是当今净化甲醛的研究热点与市场首选,但单一的光催化剂仍存在一些问题。
石墨烯是一种新型二维碳材料,具有大比表面积、高导电率、强化学稳定性等特点,在光催化技术领域展示出良好的应用前景。
本文详细介绍了石墨烯光催化降解甲醛复合材料的机理,总结了石墨烯/光催化降解甲醛二元与三元复合材料相关性能的研究进展,分析了现存问题,对未来的发展方向进行了展望。
【总页数】7页(P79-84)
【作者】胡洪亮;徐海博;李晶辉
【作者单位】吉林建筑大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O643.36
【相关文献】
1.石墨烯纳米复合材料合成及其在光催化氧化降解和还原制备氢能中应用的研究进展∗
2.ZnO-石墨烯复合材料光催化降解污染物研究进展
3.石墨烯/TiO2复合材料光催化降解有机污染物的研究进展
4.不同晶面TiO2负载石墨烯的制备及光催化降解甲醛性能研究
5.MOFs-石墨烯复合材料的合成及光催化降解左氧氟沙星性能研究
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石墨烯光催化材料及其在环境净化领域的研究进展
第４８卷２０２０年７月第７期第１－１３页材 料 工 程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．４８Ｊｕｌ．２０２０Ｎｏ．７ｐｐ．１－１３石墨烯光催化材料及其在环境净化领域的研究进展Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｇｒａｐｈｅｎｅｂａｓｅｄｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ杨 程，时双强，郝思嘉，褚海荣，戴圣龙（中国航发北京航空材料研究院，北京１０００９５）ＹＡＮＧＣｈｅｎｇ，ＳＨＩＳｈｕａｎｇ ｑｉａｎｇ，ＨＡＯＳｉ ｊｉａ，ＣＨＵＨａｉ ｒｏｎｇ，ＤＡＩＳｈｅｎｇ ｌｏｎｇ（ＡＥＣＣＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）摘要：石墨烯作为一种导电率高、比表面积大、化学稳定性强的新型二维碳材料，在光催化技术领域显示出广阔的应用前景。
本文综述石墨烯及其复合材料在光催化领域中的研究进展。
首先介绍光催化基本原理与石墨烯的优异性能，总结石墨烯在复合光催化材料中的基本作用，即促进光生电子的传输、扩大光吸收强度和范围、提升吸附作用等。
然后介绍各种石墨烯光催化复合材料（石墨烯／无机半导体、石墨烯／有机半导体、石墨烯／金属纳米粒子）及其多种合成方法。
同时进一步阐述石墨烯光催化材料在环境净化领域中的应用，重点介绍在空气净化、水中微量污染物净化及废水处理方面的应用。
最后指出目前的石墨烯光催化材料仍然存在催化效率低、成本高、不能实现大规模生产等问题，而对其结构及制备工艺等进行优化有望改善材料性能，提高其实际应用价值。
关键词：石墨烯；光催化；环境净化犱狅犻：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ４３８１．２０１９．０００８９２中图分类号：Ｏ６４３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１ ４３８１（２０２０）０７ ０００１ １３犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｓａｎｏｖｅｌ２Ｄｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｉａｌｆｅａｔｕｒｉｎｇｈｉｇｈｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｌａｒｇｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａａｎｄｒｅｍａｒｋａｂｌｅｃｈｅｍｉｃａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｇｒａｐｈｅｎｅｈａｓｓｈｏｗｎｉｔｓｐｒｏｍｉｓｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｒｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｇｒａｐｈｅｎｅａｌｏｎｇｗｉｔｈｉｔｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｓｐｈｏ ｔｏｃａｔａｌｙｓｔｓｆｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｔｈｅｅｘｃｅｐ ｔｉｏｎａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｗｅｒｅｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｒｏｌｅｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｐｌａｙｅｄｉｎｔｈｅｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｗｅｌｌｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｆａｃｉｌｉｔａｔｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｏｆｐｈｏｔｏｇｅ ｎｅｒａｔｅｄｅｌｅｃｔｒｏｎｓ，ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｅｘｐａｎｄｉｎｇｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｌｉｇｈｔａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ，ａｎｄｅｎｈａｎｃｉｎｇａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙ．Ａｖａｒｉｅｔｙｏｆｇｒａｐｈｅｎｅ ｂａｓｅｄｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ｇｒａｐｈｅｎｅ／ｉｎｏｒｇａｎｉｃｓｅｍｉ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，ｇｒａｐｈｅｎｅ／ｏｒｇａｎｉｃｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓａｎｄｇｒａｐｈｅｎｅ／ｍｅｔａｌｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ）ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｒｓｙｎ ｔｈｅｓｉｚｉｎｇｒｏｕｔｅｓｗａｓｇｒｏｕｐｅｄｂｙｃａｔｅｇｏｒｉｅｓａｎｄｒｅｖｉｅｗｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅ ｂａｓｅｄｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌ ｌｙ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅｍａｉｎｌｙｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅａｉｒｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｗａｔｅｒｄｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｒａｃｅｐｏｌｌｕｔａｎｔｓａｎｄｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｉｔｗａｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｇｒａｐｈｅｎｅ ｂａｓｅｄｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｓｔｉｌｌｈａｖｅｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｓｕｃｈａｓｌｏｗｃａｔａｌｙｔｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｈｉｇｈｃｏｓｔ，ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｉｎｒｅａｌｉｚｉｎｇｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｓｏｏｎ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅ ｔｅｒｓｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｉｒｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｇｒａｐｈｅｎｅ；ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｉｓ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ 随着社会的发展，能源、环境等问题日益突出，一方面，人类对石油燃料的需求越来越大，由于其不可再材料工程２０２０年７月生的特性，使得人类面临着严峻的能源危机；另一方面，工业生产、日常生活产生的各种污染物肆意排放，不仅影响人类的健康，更对生态环境造成极大的破坏。
石墨烯光电特性的研究与应用
石墨烯光电特性的研究与应用随着中国科学家们在石墨烯领域的发现和研究不断深入，石墨烯作为一种新型材料，已经引起了世界范围内的广泛关注。
其中，石墨烯的光电特性更是备受关注。
本文将从石墨烯的光电特性出发，探讨其研究现状及应用前景。
一、石墨烯的光电特性石墨烯，简单来说就是由碳原子组成的二维晶体材料，在其表面和边缘都具有非常优异的光学和电学性质。
其中，石墨烯的光电特性，主要表现在以下几个方面：1. 显著的吸收和折射：石墨烯具有显著的光学吸收效应，可将光线以超过97%的效率吸收。
同时，石墨烯的相对折射率也非常明显。
2. 高透过率和透射率：石墨烯的透射率非常高，可以达到97.7%。
同时，其透过率也达到了80%以上。
由此，石墨烯的透明度可以与玻璃媲美。
3. 明显的光学非线性效应：石墨烯具有显著的光学非线性效应，可用于激光器等光学器件。
4. 热光学效应：石墨烯还具有显著的热光学效应，可用于热传输和热管理等领域。
5. 其他优异性质：石墨烯还具有优异的电学性能，例如高载流子迁移率以及超短的载流子寿命等。
通过对石墨烯的这些光电特性的研究与探索，科学家们逐渐发现了石墨烯在多个领域的广泛应用前景。
二、石墨烯光电特性的研究现状1. 石墨烯的光学吸收研究石墨烯对光的吸收效应非常显著，可以达到超过97%的效率。
石墨烯的光学吸收研究主要针对其光学学习特性进行探讨。
例如，一项研究发现，单层石墨烯对于可见光的吸收率与入射光的波长呈反比例关系。
此外，随着石墨烯层数的增加，其对光的吸收效率也会逐渐降低。
2. 石墨烯的透明性研究石墨烯的透明度极高，可与玻璃媲美。
石墨烯的透明性研究主要探讨石墨烯的透过率与其在不同波长下的透明度，以及石墨烯的光学和电学制备方法等。
3. 石墨烯的光电器件研究石墨烯的光电性能非常优异，已经被应用于多种光电器件的制备中。
例如，石墨烯被用于制造柔性纤维型光电器件等。
此外，石墨烯与其他材料的复合也被广泛研究。
4. 其他石墨烯光电特性的研究石墨烯作为一种新型材料，其光电特性还有很多有待探索的领域。
石墨烯的制备方法及发展应用概述
石墨烯的制备方法及发展应用概述一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维纳米材料，自2004年被科学家首次成功制备以来，便以其独特的物理和化学性质，引发了全球范围内的研究热潮。
本文旨在全面概述石墨烯的制备方法，以及其在各个领域的发展应用。
我们将介绍石墨烯的基本结构和性质，为后续的制备方法和应用探讨提供理论基础。
接着，我们将重点阐述石墨烯的几种主要制备方法，包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等，并分析各方法的优缺点。
随后，我们将深入探讨石墨烯在能源、电子、生物医学等领域的应用现状和发展前景。
我们将对石墨烯的未来研究方向进行展望，以期为其在实际应用中的进一步推广提供参考。
二、石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法多种多样，每一种方法都有其独特的优缺点和适用范围。
目前，石墨烯的主要制备方法包括机械剥离法、化学气相沉积法（CVD）、氧化还原法、碳化硅外延生长法以及液相剥离法等。
机械剥离法：这是最早用于制备石墨烯的方法，由英国科学家Geim和Novoselov在2004年首次报道。
他们使用胶带反复剥离石墨片，最终得到了单层石墨烯。
这种方法虽然简单，但产量极低，且无法控制石墨烯的尺寸和形状，因此只适用于实验室研究，不适用于大规模生产。
化学气相沉积法（CVD）：CVD法是目前工业上大规模制备石墨烯最常用的方法。
它通过高温下含碳气体在催化剂表面分解生成石墨烯。
这种方法可以制备出大面积、高质量的石墨烯，且生产效率高，成本低，因此被广泛应用于石墨烯的商业化生产。
氧化还原法：这种方法首先通过化学方法将石墨氧化成石墨氧化物，然后通过还原反应将石墨氧化物还原成石墨烯。
这种方法制备的石墨烯往往含有较多的缺陷和杂质，但其制备过程相对简单，成本较低，因此也被广泛用于石墨烯的大规模制备。
碳化硅外延生长法：这种方法通过在高温和超真空环境下加热碳化硅单晶，使硅原子从碳化硅表面升华，剩余的碳原子重组形成石墨烯。
这种方法制备的石墨烯质量高，但设备成本高，制备过程复杂，限制了其在大规模生产中的应用。
【精品文章】几种石墨烯复合材料制备方法及催化应用介绍
几种石墨烯复合材料制备方法及催化应用介绍
石墨烯具有独特的热、电和光学性能，并以高的比表面积性能，使其非常适于用作复合材料的理想载体。
目前，石墨烯基复合材料广泛应用于传感器、新能源、光催化、电容器、生物材料等领域，特别是在在光催化和电催化领域，具有广阔应用前景。
下面小编介绍石墨烯复合材料在催化领域应用。
一、石墨烯/TiO2复合材料
1、石墨烯/TiO2复合材料光催化性能
石墨烯作为TiO2光催化材料的载体，不仅可以提高催化材料的比表面积和吸附性能，还能够抑制TiO2内部光生载流子的复合，降低了电子-空穴对的重组率，从而促进TiO2的光催化性能，提高其利用效率，因此制备TiO2/石墨烯复合材料可以进一步提高材料的光催化活性。
石墨烯/TiO2复合材料光催化机理示意图
2、石墨烯/TiO2复合材料制备方法
目前，石墨烯/TiO2复合材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法和水热法等。
两种方法对于石墨烯的前体准备都是通过Hummers法得到氧化石墨烯，然后通过还原手段一步法得到还原氧化石墨烯/TiO2复合材料。
左图：石墨烯结构示意图；右图：氧化石墨烯结构示意图
（1）溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法通常是将钛的前体与氧化石墨烯溶液混合并搅拌均匀，氧化石墨烯通过氢键作用力与钛的前体结合并发生缩合、聚合反应最终形成具有Ti-O-Ti三维网络结构的凝胶，然后经过干燥、焙烧、研磨得到石墨烯。
石墨烯 光催化
石墨烯光催化
石墨烯是一种由碳元素构成的单层薄片材料，具有极高的导电性和导热性，同时也具
有很高的强度和韧性。
近年来，石墨烯在光催化领域受到越来越多的关注，其有望成为一种新型的高效光催
化材料。
光催化是利用光能使化学反应发生的一种技术，其中光源作为催化剂的替代品，通过
将能量传递给反应物，从而加速反应的速率。
石墨烯具有优异的光电导特性，能够将光能高效地吸收并将其中的能量转化为其他形
式的能量，如热能和电能。
当石墨烯和某些催化剂一起使用时，其表面的电荷转移效应也可以显著影响反应速率。
因此，石墨烯在光催化领域的应用前景非常广阔。
举例而言，目前有许多石墨烯基的光催化剂已被开发出来，并用于环境污染物的分解、二氧化碳的还原和水的分解等重要反应中。
这些反应的实现将为环境保护和能源转换等领
域带来巨大的潜力。
总之，石墨烯在光催化领域的应用正在变得越来越重要。
随着更多的研究和探索，石
墨烯有望成为一种新型的高效光催化材料，从而为环境保护和可持续发展作出贡献。
石墨烯的吸附性能在环境保护中的应用
石墨烯的吸附性能在环境保护中的应用
石墨烯具有出色的吸附性能，被广泛应用于环境保护领域。
本文将重点介绍石墨烯在
水污染、空气污染和土壤污染等方面的应用。
石墨烯在水污染治理方面起到了重要的作用。
石墨烯具有高度的表面积和孔隙结构，
使其具有出色的吸附能力。
它可以吸附水中的重金属离子、有机物和微量有害物质，有效
净化水质。
石墨烯被广泛应用于废水处理中，可以高效吸附重金属离子，如铅、镉和铜等。
研究表明，石墨烯与金属离子之间通过静电作用和吸附作用结合，形成稳定的复合物，有
效去除了水中的有害物质。
石墨烯在空气污染治理中也发挥了重要的作用。
石墨烯具有优异的吸附和催化性能，
可以吸附和分解大气中的有害气体。
石墨烯基复合纳米材料被广泛研究，它能够吸附和降
解VOCs（挥发性有机化合物）和NOx（氮氧化物）等大气污染物。
石墨烯基光催化材料也
被用于净化有害气体。
石墨烯在光催化氧化反应中具有高光电化学转化效率，可以将有害
气体转化为无害物质，如二氧化碳和水。
石墨烯具有出色的吸附性能，在环境保护中的应用潜力巨大。
石墨烯在水污染治理、
空气污染治理和土壤污染修复等方面发挥着重要作用。
随着对石墨烯技术的进一步研究和
发展，相信石墨烯会在环境保护中起到更大的作用，为改善环境质量做出更大的贡献。
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石墨烯在光催化中应用摘要：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。
Amal等采用 BiVO4（其禁带宽度在 2.4 eV ）作为添加剂，氧化还原型石墨烯（reduced graphene oxide, 简称 RGO）作为基体，制备出复合光催化剂BiVO4-RGO 。
研究表明，BiVO4-RGO 的光化学活性区向长波长光区移动；同时，与纯BiVO4 相比，BiVO4-RGO 的光电流强度和稳定性显著增加，说明光电子与空穴大量分离，并有效的抑制了激发电子-空穴复合。
复合法可以较好的解决光催化反应中激发电子在光催化剂表面积累的问题，在一定程度上抑制了激发电子-空穴复合反应。
并且在与 TiO2 和BiVO4复合时，一定程度地减小了禁带宽度，这为进一步研究石墨烯与其它半导体材料复合对禁带宽度的影响提供了很好的指导。
而费米能级偏移法从严格意义上说是复合法的一种特殊情况。
值得关注的是，通过复合石墨烯可以改变光催化材料的费米能级相对位置，间接调整了光催化材料导带和价带的相对位置，可以扩大光催化材料催化反应的应用范围。
但是，和复合法一样，费米能级偏移法也有添加剂的引入，使得复合后的催化剂结晶性降低，缺陷浓度增加。
但是，复合法往往要引入添加剂，导致催化剂晶体生长过程中不可避免的存在一定的缺陷浓度，这又为激发电子- 空穴复合提供了复合中心[36-39]，增大了激发电子与空穴的复合概率。
并且，添加剂的引入也对光催化材料整体的稳定性产生不利影响。
因此，降低由于添加剂引入所产生的缺陷浓度和增强复合后光催化剂的稳定性又成为复合法中必须解决的重点问题。
2.2 包覆法针对复合法中存在的一些不足，各研究小组进行了大量的研究工作。
Zhu 等[40]采用了类石墨烯碳材料包覆已经生长完成的 TiO2 晶体，形成“核-壳”结构的光催化材料，如图 5 所示。
类石墨烯碳材料的包覆阻碍了 TiO2 晶型转变，使 TiO2 仍处于光催化活性较高的锐钛矿八面体结构[41-42]。
在光照下价带电子与空穴发生分离，激发电子进入石墨烯壳层表面，使得激发电子-空穴复合的概率大为降低，从而有效的增大了光催化效率。
值得注意的是，该方法中TiO2 与包覆层的电子交互反应起到了十分重要的作用。
包覆法基本解决了由于添加剂而引起的晶体本身缺陷浓度增大问题。
类石墨烯碳材料包覆对核心TiO2 起到了保护作用，防止催化过程中的催化剂流失和晶型转变。
正是由于光催化剂的催化效率与包覆层厚度密切相关，这就为通过控制包覆层厚度来有效调节光催化效率提供了依据。
值得指出的是，包覆法无法改变光催化剂本身的禁带宽度[40]，这就意味着激发价带电子所需的光子能量不变，因此包覆碳材料在可见光区的吸收峰并不对光催化反应本身产生贡献，而这些吸收峰生的主要原因是类石墨烯碳材料本身的吸光作用[45] 造成的。
而对于尺寸较小的 TiO2 晶体颗粒，包覆在核外的碳材料是否具有石墨烯片层结构的特有性质还需要进一步关注。
2.3 石墨烯自身参与光催化反应之前的两种方法从改变禁带宽度、激发电子-空穴复合概率和光催化剂吸附性 3 个角度提高光催化效率。
但是都或多或少都引入了不同的添加剂，对晶体中缺陷浓度都存在一定程度的影响。
于是人们开始思考能否使用纯石墨烯作为催化剂参与光催化反应。
为此，许多研究小组进行了一些研究，并取得了一些成果。
Teng 等研究发了氧化型石墨烯本身可以发生光催化反应，甚至可以光解水制备氢气。
该反应选择纯 GO催化光解水制备氢气。
作为石墨烯与石墨的中间产物GO 本身带有较多的氧化性基团，而且由于石墨烯具有巨大的比表面积，保证了它在水溶液中具有良好的分散性。
在反应过程中，石墨烯片层结构所形成的共轭π电子云作为导带，而环氧基中氧的 2p 轨道作为价带，其导带位置高于还原氢气的标准电极电势，价带位置与生产氧气的标准电极电势相近。
因此，根据氧化还原理论，需要加入甲醇（MeOH）作为空穴俘获剂，才能使反应得以顺利进行，其原理如图 7 所示。
Teng 等[46]在实验中采用纯 GO作为催化剂实现了光解水的光催化反应。
GO 吸收光子能量发生激发电子-空穴分离，激发电子还原溶液中的H+生产H2，而由于溶液中加入了 MeOH 作为空穴俘获剂，所以反应没有氧气产生。
实验表明，在可见光辐照下，反应时间与产生氢气的量成正比关系，6 h H2的产量为13 µmol；在汞灯（紫外-可见光）辐照下，6 h H2 产量为16000 µmol 。
由此可见，GO的光化学活性区仍然在紫外光区。
值得注意的是，Teng 等通过纯GO与Pt-GO 的对比实验，得出 Pt-GO 存在一定的光催化活性，但是 Mukherji 等[54]发现Pt-GO 在相同实验条件下的零催化活性现象，这与Teng 等的实验结果截然相反。
作者认为，因为Pt-GO 中Pt的作用仅仅是激发电子和溶液中H+发生还原反应的反应位，其反应关键仍然是 GO的激发电子与空穴分离反应，而Teng 等的实验已经表明了 GO可以光解水制备氢气，所以 Teng 等的结果更为可信。
纯GO作为催化剂参与光催化反应，无需引入添加剂，保证了 GO本身晶体缺陷浓度维持在一个较低的水平。
并且，与传统光解水催化剂的高温合成过程相比，GO合成过程简单易行；GO在水溶液中易分散，保证了较高的光催化效率。
但是，GO 的光催化活性区仍然在紫外光区，可见光利用率仍不高；反应采用甲醇作为空穴俘获剂，其氧化产物为 CO2，对环境同样会造成负面影响；特别是对于光解氢气标准测试环境问题，国际上尚未达成统一的标准，这是亟需解决的问题。
不过，尽管这方面研究的实例较少，Teng 等的研究还是较合理地解释了纯 GO光解水的反应机理，为以后的光解水制备氢气的研究指明了方向。
3 结论综上所述，由于石墨烯具有优良的导电性能和巨大的比表面积，因此能很好地改善一般半导体材料可见光利用率低和激发电子- 空穴复合概率高等不足。
复合法和包覆法都能提高光催化效率。
同时，研究还表明单纯的石墨烯也能作为光催化剂直接参与催化反应。
需要强调的是，这 3 种方法都能很好地利用石墨烯优良的导电性能抑制激发电子- 空穴复合反应，其中复合法中的费米能级偏移法对光催化效率的提升效果是最为明显的。
目前，石墨烯在光催化反应中应用的研究是新型光催化材料研究的热点之一。
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。
石墨烯对 BWO费米能级产生的偏移效应，是否是人为可控的，并且能否推广到其它半导体材料，值得深入研究。
还有，在包覆法中，对于尺寸较小的 TiO2 晶体颗粒，包覆在核外的碳材料是否具有石墨烯片层结构所特有的性质仍需要我们继续探索。