功能化石墨烯/粘土矿物复合材料的界面构建与强化光电催化机理研究

A series of graphene/clay minerals semiconductor composites will be fabricated by different methods, and then modern spectroscopy techniques will be used to decipher the interface reactions, the styles of bonding and the microstructures of composites. The obtained composites would be applied as photocatalysts and supported on the surface of electrodes. The photoelectrochemical (PEC) system can be set up to oxide emerging contaminants (ECs) in the anode chamber and simultaneously reduce halogenated organic compounds or spit water for hydrogen generation in the cathode chamber. We will focus on the microstructure features, performances and mechanisms of photoelectrocatalysis for the obtained graphene/clay minerals semiconductor composites. The degradation kinetics, influences and intermediate products of ECs catalyzed by the obtained composites as well as the reuse properties the composites will be also investigated. Finally, A structure-activity relationship study of graphene/clay minerals semiconductor composites will be conducted to explore the optimum structure with high photoelectrocatalytic activity and the prediction model of ECs degradation by photoelectrocatalysis will be built. This proposal aims to reveal that how to affect the photoelectrocatalytic activity and mechanism for degradation of ECs and reduction of halogenated organic compound or hydrogen generation by the change of the combination mode between graphene and clay minerals. Further, it will provide scientific data and theoretical basis for better develop our country's abundant clay minerals resource to be employed as efficient and environment-friendly materials for environmental engineering and new energy.

以不同方法构建一系列石墨烯/粘土矿物半导体复合材料，通过现代谱学手段，从分子层面探究粘土矿物与石墨烯的微界面作用，成键类型，及复合材料的微结构特征。将所制备的石墨烯/粘土矿物半导体复合材料负载在电极上，构建光电催化装置，实现阳极氧化降解新兴污染物(ECs)同时阴极还原卤代有机物或催化裂解水产氢。重点分析石墨烯与不同粘土矿物以不同构建方式所形成的复合材料的微结构特征、光电催化性能及机理。研究复合材料光电催化降解有机污染物的影响因素、动力学模式、中间产物、材料再生利用性能等，阐明石墨烯复合材料/光电催化性能的构效关系并建立对有机污染物光电催化降解的预测模式。进一步揭示石墨烯与粘土矿物结合方式的变化对强化光电催化性能、光电催化裂解水产氢机制和降解污染物机理的影响，为高附加值开发我国丰富的粘土矿物资源、研制新型高效的环境工程材料、新能源材料提供科学数据和理论依据。

本项目通过设计制备不同类型的石墨烯/粘土矿物半导体复合材料，用于电极负载并构建光电催化装置，实现阳极氧化降解新兴污染物(ECs)同时阴极还原卤代有机物或催化裂解水产氢。将现代谱学手段与界面物理化学理论和方法相结合，从分子层面探究粘土矿物与石墨烯的微界面作用、成键类型、复合材料的微结构特征；阐明石墨烯复合材料与光电催化性能的构效关系并建立对有机污染物光电催化降解的预测模式。主要取得以下成果：.1. 制备富勒烯/阴离子粘土复合材料，且其在煅烧后制备成具有光催化活性的LDO/C60-r材料，对双酚A有良好的降解效果，并证明超氧自由基起主要作用。.2. 制备C60@AgCl-LDO复合材料及其他衍生材料，在紫外光照下反应5分钟后，光催化降解双酚A的去除率可达100%，材料在严重紧急的水环境修复治理中具有巨大潜力。.3. 纳米材料C60@AgCl-LDO和铂片电极制备为工作电极，以铂网电极为对电极，甘汞电极为参比进行三项电极光电催化实验，证明•OHbulk对降解双酚A起主要作用，超氧自由基、•OHads和电子空穴起重要作用。.4. 通过层层自组装方式备出具羧基化石墨烯/ZnAl-LDHs纳米复合材料，真空煅烧后形成具有可见光活性的复合催化剂，通过系列谱学手段证明复合材料的微结构特征以及与光催化的构效关系。.5. 原位生长法制备石墨烯@ZnNiAl-LDO复合材料，探讨材料形貌结构的差异，通过光催化实验证明Cr(VI)的存在能协同催化氧化有机物。.6. 制备ZnTi阴离子粘土-石墨烯复合材料用于光解BPA，从机理上证明石墨烯的引入强化了材料的光催化性能。.7. 制备系列蒙脱石-类石墨烯复合材料，探究负载类石墨烯对蒙脱石的光电催化活性的影响并阐明机理。.本项目研究成果可为新兴污染物、卤代有机物的去除提供新方法，为石墨烯与不同粘土矿物以不同构建方式所形成的复合材料的微结构特征、光电催化性能及反应机理提供重要的实验数据与结论。同时，为科学合理开发我国丰富的粘土矿物资源、研制新型高效的环境工程材料、新能源材料提供有效的科学数据和理论依据。