球形结构化半导体-石墨烯类复合材料的光化学构筑与光催化性能研究

Semiconductor photocatalysts can exhibit better performances when they are compounded with graphene serial materials, which is one of the important trends and the hotspots in photocatalysis field at present. In this project, polymer microsphere template is introduced to hold down and three-dimensionally structure the graphene oxide sheets in the micro-ruler by the adsorption action between them, and then semiconductor photocatalysis materials can directly grow on the surfaces of the microsphere and graphene oxide by a new photochemical route, graphene serial photocatalytic composites with spherical structures can then be obtained. The main studies include the adsorption and the three-dimensional structurization mechanisms of graphene oxide, the growth method and the mechanism of semiconductor on surface of graphene oxide, the methods in control of sizes and structures of composites, photocatalytic performances and the corresponding mechanism, recyclability and repeatability of the composites. The project aims at presenting a new three-dimensional (3D) graphene serial composite, introducing room-temperature photochemical method to the application of fabrication of graphene-semiconductor composite, controlling the sizes and structures by controlling the microspheres, solving the problems about two-dimensional sheet-like graphene composites on the easy aggregation or overlying, the difficulty in control of size and the difficulty in recyclability, enhancing the photocatalytic performance, building new photocatalytic reaction mechanisms based on the spherical structure, promoting the applications of graphene serial composite materials in photocatalysis fields.

半导体光催剂与石墨烯类材料复合以后能够显示更优良的性能，是目前光催化领域研究的重要方向和热点之一。本项目引入聚合微球模板，利用模板对片状氧化石墨烯的吸附作用在微观尺度固定和三维结构化氧化石墨烯，采用新的光化学方法在微球表面直接生长半导体光催化材料，进而获得各类球形结构石墨烯类光催化复合材料。主要研究微球对氧化石墨烯的吸附和三维结构化机理；半导体在氧化石墨烯表面的生长和原理；复合材料的尺寸与结构控制；复合材料的光催化性能与机制以及材料的回收和重复利用方法。目的在于推出一种三维结构的新型石墨烯类光催化复合材料，引入室温光化学方法用于半导体-石墨烯的复合，通过控制微球实现对复合材料尺寸和结构的控制，解决常规的二维片状石墨烯类复合材料易于团聚或叠加、尺寸无法控制和不易回收的问题，提高光催化性能，建立基于球形结构的新的光催化反应机制，促进石墨烯类复合材料在光催化领域的应用。

石墨烯增强半导体光催化性能的研究是当前热点之一，但是石墨烯本身的柔性决定了复合材料难有规则形状、易团聚或片层叠加和不易回收，进而影响其增强效果和实用性。本项目引入了聚合微球模板，利用模板对片状氧化石墨烯（GO）的吸附作用在微观尺度对其进行固定和球形三维结构化，以光化学合成技术为主，进一步构筑球形结构化复合材料，利用三维结构增强复合材料性能。项目进程中从源头对这种结构的构筑和性能进行了探讨，主要研究了功能聚合物微球的光化学合成方法与原理、微球对GO的吸附特性和球形结构化机制、球形结构化对复合材料的增强原理、常见半导体的光化学合成及其与石墨烯、聚合物微球相互之间的复合方法及光催化增强机制，并拓展了该类材料在气敏器件领域的新应用。提出了普适的室温光化学方法合成聚合物微球，实现了多种具有不同表面功能集团的共聚微球的合成；发现了微球对GO的吸附规律与原理，确认了球形结构化石墨烯复合材料性能增强的原理之一在于有效表面积的增加；获得了CdS、CuS、SnO2等常见二元半导体的形成条件、实现了半导体致密层在rGO表面的形成，并极大提高了复合材料的光催化活性和稳定性的；获得了”微球@rGO@半导体”核-壳结构复合材料以及”rGO@半导体”空心球，实现了光催化活性的提高，在此基础上构筑了具有磁性的球形结构复合材料，并实现了材料的可回收性；提出了以聚合物微球胶体晶体为模板在石墨烯涂层表面构筑有序多孔结构的理念，并通过电沉积法实现了ZnO有序球形孔薄膜的构筑，发现了该结构化薄膜优异的气敏性能与器件应用实用性。这些研究形成了”复合组元合成-复合材料构筑-球形三维结构化-性能增强机制-光催化应用”的完整链条，对于石墨烯类光催化复合材料的性能增强和实用性研究具有促进作用；光化学合成和球形三维结构化理念对于室温、绿色构建高性能石墨烯类复合材料与器件具有一定的启示作用。