自支撑石墨烯-半导体粒子复合膜的制备以及与光催化性能的构效关系

Graphene-semiconductor particle composites have displayed excellent properties and potential applications in photocatalytic areas. Nevertheless, most of these composites are powder samples, which limit their further process and use to some extent. In this project, we will utilize the unique film forming characteristic of graphene-based sheets to prepare self-standing graphene-semiconductor particle composite films. Two processes are carried out to obtain composite films including synthesis of graphene-particle composites and assembling these composites into self-standing films. Meanwhile, the photocatalysis properties of these films are evaluated, such as photodegradation of pollutants, synthesis of compounds and photocatalytic hydrogen production from water. We will study the influences of preparation processes of graphene-particle composites and self-standing films on the structure and the photocatalysis properties of as-obtained films. And different methods such as element doping, dye sensitization and cocatalysts will be carried out to modify the composites or/and films in order to obtain composite photocatalytic films with broad spectral response and high quantum efficiency. Furthermore, we will illustrate the role of each component (graphene and semiconductor materials) in the composites plays and investigate processes like light absorption performance and charge stimulating, separation, migration, recombination of these films during photocatalysis to provide experimental and theoretical suggestions for graphene-based photocatalytic systems.

石墨烯-半导体粒子复合材料已在光催化领域中显示出了优越的性能和潜在的应用，然而目前所获得的这类复合物主要为粉末状物质，这对该材料的进一步加工、利用等方面带来了一定的局限。本项目拟在制备石墨烯-半导体粒子复合光催化剂的基础上，利用石墨烯自身特有的成膜性质，将复合物进行组装，获得具有光催化活性的自支撑石墨烯-半导体粒子复合膜；同时研究复合膜在染料的矿化、化合物的合成、光解水等光催化领域的性能；研究复合物的制备、膜的加工对自支撑膜的结构以及光催化性能的影响；利用元素掺杂、染料敏化、助催化剂等方法对复合物或膜进行改性，进而获得具有宽光谱响应、高量子效率的复合光催化膜；阐明复合物中各组成部分（石墨烯和半导体材料）在光催化反应中的作用；研究复合膜在光催化过程中的光吸收性能、电荷激发、分离、迁移和复合等过程，为发展基于石墨烯复合光催化体系提供实验和理论基础。

在“自支撑石墨烯-半导体粒子复合膜的制备及其光催化性能的研究”的项目中，我们主要研究几个相关内容：（1）石墨烯-半导体粒子复合物的制备。我们制备了一些石墨烯-半导体复合片，并且通过有机染料的降解、硝基芳香化合物的选择性还原考察了复合催化剂的光催化活性、研究了石墨烯材料的添加对复合物活性的影响。此外，我们还通过利用尺寸较小的石墨烯片来修饰半导体纳米结构、提高了石墨烯的利用率，从而进一步提高了半导体材料的光催化活性。最后我们也根据实验的结果对石墨烯增强半导体光催化活性机理进行了相应的分析；（2）在复合片制备的基础上，我们利用抽滤的方法对部分复合片进行组装，考察了部分复合片（石墨烯- TiO2复合片）的成膜性能，获得了基于石墨烯的复合膜材料，并且研究了这些膜的过滤分离性能及其在废水处理领域的应用。此外，我们通过在这类复合滤膜的表面覆盖一层具有较高光催化活性的粒子膜（P25），获得了在光照下具有较高废水处理能力的光催化自清洁石墨烯-半导体粒子复合滤膜；（3）考虑到基于石墨烯的膜材料对光有很强的屏蔽作用，我们以氧化石墨烯为牺牲模板，通过煅烧处理石墨烯-半导体粒子复合膜，将其中的碳基石墨烯材料煅烧掉，获得了自支撑的Fe(III)掺杂的TiO2纳米粒子膜，并对其在可见光下的光电性能进行了相应的研究。.虽然获得了一定的进展，但在项目的系统性研究、课题的拓展等方面还存在一些问题，比如如何更加有效地利用石墨烯提高光催化活性、如何将高效复合光催化剂组装成复合膜材料并拓展其在可见光下的催化效率、如何拓展石墨烯-粒子复合膜在光电领域的应用等，这些仍需要进一步的研究。