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几种石墨烯复合材料制备方法及催化应用介绍
2018月02月02日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:95
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石墨烯具有独特的热、电和光学性能,并以高的比表面积性能,使其非常适于用作复合材料的理想载体。目前,石墨烯基复合材料广泛应用于传感器、新能源、光催化、电容器、生物材料等领域,特别是在在光催化和电催化领域,具有广阔应用前景。下面小编介绍石墨烯复合材料在催化领域应用。

 

一、石墨烯/TiO2复合材料

1、石墨烯/TiO2复合材料光催化性能

石墨烯作为TiO2光催化材料的载体,不仅可以提高催化材料的比表面积和吸附性能,还能够抑制TiO2内部光生载流子的复合,降低了电子-空穴对的重组率,从而促进TiO2的光催化性能,提高其利用效率,因此制备TiO2/石墨烯复合材料可以进一步提高材料的光催化活性。

 

石墨烯/TiO2复合材料光催化机理示意图

 

2、石墨烯/TiO2复合材料制备方法

目前,石墨烯/TiO2复合材料的制备方法主要有溶胶-凝胶法和水热法等。 两种方法对于石墨烯的前体准备都是通过Hummers法得到氧化石墨烯,然后通过还原手段一步法得到还原氧化石墨烯/TiO2复合材料。

 

左图:石墨烯结构示意图;右图:氧化石墨烯结构示意图

 

    1)溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法通常是将钛的前体与氧化石墨烯溶液混合并搅拌均匀,氧化石墨烯通过氢键作用力与钛的前体结合并发生缩合、聚合反应最终形成具有 Ti-O-Ti三维网络结构的凝胶,然后经过干燥、焙烧、研磨得到石墨烯/TiO2复合材料。在溶胶-凝胶法制备过程中,氧化石墨烯的制备方法、石墨烯的掺杂量、焙烧温度等因素对复合材料的光催化性能都有较大的影响。

 

溶胶-凝胶法优点是:操作简单,工艺较为成熟并且制备成本较低,制得的复合材料纯度较高。

 

缺点是:在制备过程中石墨烯易发生团聚,且工艺较为耗时。

 

2)水热法

水热法是目前制备石墨烯/TiO2复合材料最常用的方法。其主要工艺过程是将石墨烯的氧化物与钛前体按一定比例混合均匀后移入高压釜等容器中,在高温高压的条件下,氧化石墨烯被还原成石墨烯的同时一步得到石墨烯/TiO2复合光催化剂。

 

水热法制备石墨烯/TiO2复合材料SEM

 

水热法优点是:在制备过程中不需要对复合材料进行高温焙烧处理,避免了石墨烯易团聚的问题,并且制备的复合材料结晶度良好、产物纯度较高。

 

二、AgNbO3/石墨烯复合纳米材料

AgNbO3/石墨烯复合纳米材料主要采用固相法合成。AgNbO3与石墨烯复合后,带隙能明显降低,吸收光波长范围增大。AgNbO3/石墨烯复合纳米材料对甲基橙的可见光催化性能明显增强。AgNbO3/石墨烯复合纳米材料经300℃煅烧处理后,其光催化性能最佳。

 

AgNbO3/石墨烯复合纳米材料TEM图片(300℃)

 

三、石墨相氮化碳/石墨烯复合材料

石墨相氮化碳/石墨烯复合材料是以三聚氰胺和氧化石墨烯颗粒为原料,通过研磨负载、 氮气气氛下煅烧的方法,制备石墨相氮化碳/石墨烯复合光催化剂。其光催化机理与石墨烯/TiO2复合材料相同,石墨烯提供了电子转移场所,实现光生电子-空穴的有效分离,从而提高了光催化效率。

 

石墨相氮化碳/石墨烯复合材料TEM图片

 

四、CdS/石墨烯纳米复合材料

CdS/石墨烯纳米复合材料主要采用超声化学法合成,该方法主要利用石墨烯极大的比表面积和优异的吸附性能,当其与Cd盐溶液接触时,Cd2+通过静电吸附和物理吸附于石墨烯片层上,在NaB H4作用下石墨烯片层上Cd2+被还原成Cd原子团簇,并进一步与溶液发生化学反应,形成CdS/石墨烯纳米复合材料。

 

CdS/石墨烯纳米复合材料相比于单纯的CdS,复合材料的吸收峰和发射峰均发生蓝移和款化现象,其光催化性能显著提高。

 

CdS/石墨烯纳米复合材料机理

 

 

CdS/石墨烯纳米复合材料SEM图片

 

五、石墨烯/BiVO4复合材料

合成石墨烯/BiVO4复合材料是先通过表面活性剂辅助水热法合成具有(040)刻面的BiVO4多面体。随后,通过BiVO4多面体和石墨烯板之间的蒸发诱导的自组装工艺构建了氧化石墨烯/BiVO4复合材料,最后将氧化石墨烯/BiVO4复合材料通过温和、绿色的方法转化为石墨烯/BiVO4复合材料。

 

石墨烯/BiVO4复合材料具有独特界面耦合结构,能够显著提高了电荷分离效率和表面吸附能力,提高其光催化活性。

 

石墨烯/BiVO4复合材料光催化示意图

 

六、多孔石墨烯/Ni复合材料

多孔石墨烯/Ni复合材料是采用KOH氧化法,在惰性气氛下通过高温焙烧制备多孔石墨烯和镍掺杂多孔石墨烯。其多孔结构可进一步提高电化学催化性能,成为高性能超级电容器的最有希望的候选者,具有广阔应用前景。

 

作者:李波涛

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