单晶TiO2表面石墨烯的化学气相沉积法控制制备及其异质结构的光催化性能

新型异质结构是光催化材料的重要研究方向，构建"TiO2/石墨烯"异质结构是发展高性能TiO2基光催化剂的一种有效途径。本项目结合TiO2晶面调控和结构研究与石墨烯制备研究的最新进展，提出"结构调控"与"原位复合"的设计思想，拟采用化学气相沉积（CVD）方法在锐钛矿型单晶TiO2的特定晶面上原位生长石墨烯。旨在建立以富含特定晶面的单晶TiO2作为基体制备石墨烯的CVD方法，实现对石墨烯的分布密度、尺寸和层数的调控；结合理论计算，揭示石墨烯在TiO2的特定晶面上CVD生长的机理；研究 "单晶TiO2/石墨烯"异质结构的光催化性能，考察考察异质结构的界面结构和石墨烯的结构对TiO2表面电子结构的影响并探索其光催化机制。所取得的结果将有助于深入理解金属氧化物基体上CVD生长石墨烯的机理，并为构建具有优异光催化性能的TiO2基异质结构奠定基础。

新型异质结构材料是高性能光催化剂研究的前沿领域之一，构建以石墨烯为助催化剂的“TiO2/石墨烯”异质结构是发展高性能TiO2基光催化剂的有效途径。本项目分别探索了采用化学气相沉积法（CVD）在TiO2单晶颗粒和单晶硅/TiO2薄膜表面生长石墨烯，用于构建“TiO2/石墨烯”异质结构；为了进一步提高石墨烯助催化剂的导电性和透光性，发展了臭氧掺杂方法；针对制备出的“单晶硅/TiO2/石墨烯”异质结构的结构特点，考察了其作为光电极材料的光催化性能。取得了如下主要结果：.（1）在CVD生长方面，分别研究了600-800摄氏度范围内石墨烯在TiO2单晶颗粒和单晶硅/TiO2薄膜表面的生长行为。TiO2单晶颗粒表面催化生长石墨烯的活性低，仅能得到低结晶度的薄膜，平均层数在5层以下。采用镍作为催化剂，在单晶硅/TiO2薄膜表面生长出连续的少层石墨烯薄膜，结晶度优于TiO2单晶颗粒直接生长的结果。其中，在700-800摄氏度范围内温度对石墨烯结晶度的影响较小；少量碳源（厚度小于3nm）或较短的生长时间（低于3分钟）利于形成均匀的薄膜。.（2）在掺杂方法方面，发展了臭氧掺杂法同时提高石墨烯导电性和透光性，并可通过控制臭氧吸附向臭氧氧化反应的转变调控石墨烯的上述性能。.（3）在光催化性能方面，通过对比研究发现，连续的石墨烯薄膜不利于提高“单晶硅/TiO2”光电极材料的光催化性能，可能的原因在于包覆石墨烯薄膜降低了光电极的表面亲水性。.所取得的结果将有助于理解TiO2表面CVD生长石墨烯的机理，并为构建高效TiO2基光催化剂提供借鉴。