石墨烯在能源环境领域的应用

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1、石墨烯基光催化材料1.背景介绍当前，能源危机和环境污染是人类社会面临的两大棘手问题，利用光能（尤其是太阳光能）解决全球性的能源和污染问题引起国内外研宂者的关注和重视。光催化剂在适合波长的光激发下，会发生光化学反应，可以将光能转化为电能和化学能，可以降解污染物（特别是有机污染物）和杀火细菌等。因此，光催化材料在解决能源短缺和环境污染问题方面只有巨大潜力。目前，研究和应用较多的光催化剂有纳米TiO2、ZnO和CdS等化合物。但是，纳米颗粒一方而因具有高的比表而积和高的活性，而易于团聚、难以分散和回收

2、，影响其光催化性能和效率。另一方面，光催化中产生的电子和空穴易于复合，也影响了光催化效率。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的碳质材料。自2004年Geim等［2］利用微机械剥离法得到这种二维原子晶体以来，石墨烯的研宂便受到了广泛的关注。石墨烯具有优异的电学、热学、光学和力学性能，如理论比表面积高、导电性能优良以及室温下电子迁移率高等。由于石墨烯具有比碳纳米管（CNT）、富勒烯（C60）更优异的电子结构、电学性质及化学稳定性，使得石墨烯可以成为比碳纳米管更好地传递电子-空穴的多功

3、能材料。2.石墨烯在光催化材料中的功能石墨烯具有突出的导热性能和力学性能，其理论比表面积高达2600m2/g,特别是在室温下具有较高的电子迁移率［250000cm2/（Vs）］。这些优异的性能为解决光催化反应中的瓶颈问题提供了可行途径。利用石墨烯复合可以从以下几个方面来改善和提高光催化性能：1）减小禁带宽度对于光催化材料，禁带宽度决定了光化学活性区的位置。禁带宽度过人，势必要求激发光子能量增大，所以禁带宽度较大的光催化材料只能在紫外区显示出光化学活性。在现实环境中，紫外光制备困难且成木较高，而占

4、太阳光45%的可见光又无法被充分利用，如此低的可见光利用率，将大大降低光催化材料在现实应用中的光催化效率。而让石墨烯与某些特定光催化材料相互复合可以在一定程度上减小禁带宽度，从而增加可见光的利用率，提高光催化效率。2）抑制电子-空穴复合激发电子-空穴复合概率问题是整个光催化反应中的关键问题。光催化材料吸收一个光子的能量，价带的电子受激发而跃迁到导带。由化学动力学理论可以得出，处于高能级的激发电子不稳定，激发电子-空穴复合的动力学常数远大于激发电子-空穴分离的动力学常数，所以激发电子与空穴会自发的

5、发生复合反应。随着激发电子与空穴复合反应结束，光催化过程也就终止。由此可知，提高光催化效率的有效方法之一就是抑制激发电子-空穴的复合反应。利用石墨烯优良的导电性能，可以使激发电子迅速迁移到石墨烯片层结构中，而不是积累在催化材料表面，这就降低了激发电子与空穴复合的概率，从而提高了半导体材料光催化效率。3）光催化剂的吸附性能光催化材料一个主要的应用是污染物浄化，这就要求光催化材料对污染物奋很强的吸附性，从而使光催化反应中生成的激发电子和自由基可以与污染物充分接触。利用石墨烯巨大的比表面积吸附污染物，

6、再通过位于石墨烯片层结构表面的激发电子和空穴的氧化产物-自由基处理污染物。由此可见，石墨烯不仅起到吸附污染物的作用，而且还可以为光催化反应提供反应位。1.石墨烯基光催化材料的应用领域1）清洁能源（产氢）光催化产氢技术是一种利用光激发半导体产生的光生电荷分解水产生氢气的技术。这一技术可望转化太阳能为氢能来替代口渐枯竭且污染环境的化石能源。该技术的核心是高效光催化剂的开发。但是，传统产氢光催化剂的光生电子-空穴容易复合且其表面反应速度慢，导致光能转化效率低。石墨烯具有原子层厚度且电子-空穴迁移速率高

7、的特点，有利于光生电荷的分离与迁移，另外，二维纳米材料大的比表而积和边缘活性点位对表而反应有利。因此，石墨烯棊光催化材料是一种理想的新型高效光催化产氢材料。2）环境净化近年来，环境污染问题越来越引起人们的重视。利用光催化技术来治理污染是一种新型的高效环保策略。光催化可以将有机污染物（染料、有机磷、有机氯）、细菌、病毒等矿化成无危害的无机化合物；可以还原高毒性的重金属为无毒或低毒性的状态；也可以降解甲醛、苯类等挥发性有毒气体。uctstantsProductsSemiconductor图1石墨烯某

8、复合材料的光催化示意图