新型二维碳材料石墨烯在光催化分解水制氢中的应用研究

新型二维碳纳米材料石墨烯是零带隙半导体，具有优异的电学性质和大的比表面积，这使得它有可能成为性能优异的电子传递的载体材料。本项目通过研究染料与石墨烯的不同结合方式，构建基于染料-石墨烯的可见光激发、迁移和反应的催化剂制氢体系。该体系能够发挥石墨烯优异的电子存储和转移性能，实现更高效率的电荷分离和更高速率的电荷迁移，有望获得高效稳定可见光催化制氢的新体系。通过对材料的结构，光电化学性质及光催化制氢性能的研究，阐明此染料光敏化石墨烯催化剂体系中光生电荷的分离、迁移的机制及其石墨烯与半导体之间的协同作用规律，为构建基于石墨烯材料的新型、高效光催化产氢体系提供参考。

本项目围绕新型二维碳材料石墨烯在光催化分解水制氢中的应用开展研究，取得了如下主要研究进展。在非铂光催化剂研究方面，发展了CoS/石墨烯、Ni@NiO/TiO2、CoSnxOy/石墨烯、NiSnxOy/石墨烯、少层MoS2/石墨烯复合光催化剂，将可见光产氢量子效率从6.7%提高至36%（460纳米）。在磁性Fe3O4/石墨烯复合催化剂中发现了石墨烯的表面自修复性能。在减少贵金属用量的研究方面，发展了RhSnxOy和Pt-Sn合金石墨烯复合氧化物光催化剂，该结果对于降低贵金属的用量有重要意义, 在430纳米条件下得到了87.2%的产氢量子效率。发现了在石墨烯复合催化剂上的染料共敏化现象，并在550纳米条件下，获得37.3%的产氢量子效率。发现了在敏化体系中Ru的催化和稳定染料的双重作用，在520纳米条件下，获得46.3%的产氢量子效率。发现并阐明了不同晶面的贵金属共催化剂产氢性能的差异，发现了石墨烯表面共催化剂明显促进表面电荷传输，在某些条件下，传输能力控制着制氢反应的效率，而非表面催化反应，该项成果被选为当期封面文章报道。发现水分解过程中的2电子过程之一的双氧水歧化反应也是光催化的过程，而非早先认为的热催化过程。