可见光响应的石墨烯基多元杂化材料制备及光催化性能研究

Many candidates could be used for the photocatalyst. And how to improve the photocatalystic ability induced by broad band ,especially by visible light, is the research emphasis in our project.Here we plan to adopt synergistic effect of SPR from the nobel metal nanoparticles and excellent electric and adsorptive properties from the graphene, which could improve the photocatalystic ability induced by visible light. We study transfer mechanism and separated function of photoinduced charge from the nobel metal and inquiry the transfer mechanism of interface charge induced by graphene,semiconductor and noble metal nanoparticles and investigate the relationship of photocatalystic activity influenced by the surface adsorptive properties from the graphene. We explore the coupling mechanism for the SPR, electric and adsorptive properties and semiconductor.This project has important theoretical significance and practical value in revealling the mechanism of photocatalystic activity improvement from the SPR, electric and adsorptive properties from the graphene.

如何更好地提高可见光响应材料的光催化活性，特别是利用较宽波段范围的光源进行光催化活性的提高是本项目研究的重点。本项目拟利用纳米贵金属粒子的表面等离子体共振（SPR）效应及石墨烯独特单分子层二维结构和优异的导电、吸附性能与半导体光催化剂的协同作用，达到提高光催化材料的可见光响应的宽波段光催化活性的目的；研究贵金属光生电荷的迁移机理和分离作用，探讨贵金属纳米颗粒、石墨烯、光催化材料三者界面电荷的迁移机制；研究石墨烯表面吸附性能对光催化材料的光催化活性的关系；研究纳米贵金属的SPR效应及石墨烯的导电、吸附性能与光催化材料的耦合作用机制，以及在可见光波段催化活性的调控机制。本项目的研究，可用来揭示纳米贵金属的SPR效应及石墨烯导电、吸附性能的协同作用对可见光响应的宽波段范围光催化活性提高的机理和本质，具有重要理论意义和实用价值。

太阳光是大自然界中最廉价、最易得、最清洁的光源。太阳光全部辐射能量主要分布在可见光区和近红外区。而传统的半导体材料光生电子和空穴复合率较高，材料的禁带较大，导致太阳光利用率较低，导致其实际应用。本课题利用不同组分的独特性质对其进行微观结构和化学性能的综合调控和改性，发挥不同组分与光催化剂的多重协同效应，达到显著提高传统半导体光催化剂的可见光响应宽波段光催化效率。.本课题主要从事了石墨烯基材料的制备，如石墨烯-二氧化钛；石墨烯-Pt;石墨烯-铌酸铋；石墨烯-硫化镉锌；硫化锌-硫化钼-石墨烯三元材料等一系列复合材料，并研究了其在可见光区域的光催化效果的提升原因及机理。此外，本课题中也采用了与石墨烯相类似的二维片层材料，利用其具有与石墨烯相似的电子迁移等性质，提升了材料在可见光条件下的催化效果。 .通过本课题的研究，揭示了贵金属纳米颗粒是提高半导体光催化剂性能的一种常用方法。通过贵金属对传统半导体材料光催化剂的改性研究，系统探讨了贵金属颗粒与半导体的几何学结构可调控其催化活性点，减少结构带来的活性缺陷，从而可以大幅度提升材料的在可见光区域和近红外区域的光催化效果。.此外通过本课题的研究，我们揭示了石墨烯基光催化剂杂化材料以其独特的结构提高光催化剂性具有非常优异的性能主要是因为：第一，石墨烯作为一种零带隙的半导体材料，具有良好的导电性能，当与合适的半导体材料复合，可以大大提升复合材料的光生电荷的迁移，避免光淬灭；第二，石墨烯材料单层的透光率可大于97%，可以提高太阳光的利用率，提升材料对光的响应范围；第三，石墨烯有大的比表面积，对有机污染物有良好的吸附能力，可增强对目标反应物的吸附和富集作用，亦可以促进半导体催化材料和贵金属等更好地分散，使其与光催化剂颗粒接触更好，可更好地俘获和传输光催化剂光生电子，发挥二者的协同效应，有效抑制光生电子和空穴复合率，从而提升材料在宽波带激发光条件下的响应和催化效果。