石墨烯-磁性尖晶石半导体复合物的结构及其可见光催化性能

本项目拟设计、制备石墨烯-磁性尖晶石半导体复合物,并研究其结构和可见光催化性能。选择带隙与可见光波长相匹配的磁性尖晶石半导体，重点以Fe和过渡金属元素(Co，Ni，Mn，Zn等)盐为金属源，以氧化石墨烯为载体，利用其表面含氧基团的配位作用，形成前驱体，采用软化学方法实现石墨烯与磁性尖晶石半导体纳米颗粒（如MFe2O4, M=Co，Ni，Mn，Zn等）的原位复合，有效控制粒子的尺寸与分散性。考虑到石墨烯较大的比表面积将有利于磁性尖晶石半导体颗粒的高度分散，优良的导电性能够使光生电子与空穴有效分离，良好的吸附性能有利于有机污染物分子与光催化剂的接触，从而提高石墨烯-磁性尖晶石半导体复合物的可见光催化活性。本项目将研究一些石墨烯-磁性尖晶石半导体复合物的组成、结构、负载量等因素对催化性能的影响规律，实现对复合物微观结构和光催化性能的有效调控，探索这些纳米复合物对不同有机物的光降解规律及反应机理。

近年来，随着纳米碳材料的兴起，越来越多的高效催化剂以及高性能电极材料的应用成为了可能。而由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的石墨烯，作为纳米碳材料家族中的新兴成员已在实验科学和理论科学上受到了极大的关注。由于其特殊的二维纳米结构，独特的物理化学性能，使得石墨烯能够在纳米电子学、传感器、光催化等诸多领域中有着广泛的应用。本项目设计、制备了一系列的石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体复合物，并研究其吸附性能、可见光催化性能。石墨烯与磁性尖晶石型铁氧体的复合实现了二者在性能上的优势互补，有望获得性能优异的多功能材料。具体内容如下：.1. 石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体复合物的设计与制备。.首先以胶体石墨为原料制备了高氧化程度的氧化石墨烯，利用氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团为反应活性点，以能够形成磁性尖晶石型铁氧体的金属盐（Fe，Zn，Co，Ni，Mn，Cu等）为金属源，通过金属离子与氧化石墨烯含氧负电基团的配位形成反应前驱体，通过软化学方法控制合成石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体复合物，并通过X射线粉末衍射（XRD）、傅立叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和N2吸(脱)附等温曲线等技术进行了一些列详细的表征。结果表明石墨烯和磁性尖晶石型铁氧体的复合能够有效的控制磁性尖晶石型铁氧体的形貌、粒子的尺寸和分散性。.2. 石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体复合物的可见光催化性能及其机理研究。.以制备的石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体复合物作为可见光催化剂，采用光化学反应仪，通过降解有机污染物废水（如亚甲基兰、甲基橙、罗丹明B、活性黑等）研究了催化剂的可见光催化性能，实验结果表明，在可见光辐射下纯磁性尖晶石型铁氧体是惰性的，几乎没有催化活性。而当石墨烯与磁性尖晶石型铁氧体复合后，可见光催化活性明显增加，这主要归因于石墨烯与磁性尖晶石型铁氧体之间的协同作用，导致光生电子和空穴的有效分离。在光催化反应过程中，羟基自由基氧化反应占主导地位。此外，石墨烯-磁性尖晶石型铁氧体复合物具有较好的磁学性能，能够作为可磁分离的催化剂使用。.项目共发表 SCI 论文 11 篇，申请专利 3项。