ZnO纳米棒/石墨烯复合材料的简单制备及其优异的光催化性能

Small-lizhen光催化材料能够直接利用清洁、可持续的太阳能进行光催化降解有机污染物、光催化还原CO2以及光催化制氢等新能源和环境净化相关的应用。相比于ZnO纳米颗粒而言,ZnO纳米棒阵列在进行光催化降解的过程中具有以下三个优势:一是,一维的ZnO纳米棒因为较少的晶界为电子的传输提供了一条“高速通道”,从而有效促进了电子与空穴的分离;二是,入射光在各个纳米棒之间的散射可以提高材料对光的吸收;三是,纳米棒阵列直接生长在基片上,有利于光催化剂的回收和重复利用。但是,作为宽禁带的半导体氧化物,ZnO只能利用紫外波段的入射光进行光催化作用,如何提高光催化材料对太阳光可见光部分的响应,一直以来都是光催化研究领域的一个热点。

近日,中国地质大学(武汉)的李珍教授课题组与美国佐治亚理工学院林志群教授课题组利用一种简单的湿化学方法将石墨烯负载在ZnO纳米棒阵列的表面,得到了ZnO纳米棒/石墨烯的复合阵列结构,石墨烯的负载量可以通过改变前驱体氧化石墨烯溶液的浓度进行调控。由于石墨烯的负载,实现了ZnO纳米棒阵列的可见光催化降解。同时,由于石墨烯的引入对ZnO形成了保护,因此ZnO纳米棒/石墨烯的复合阵列显示出优异的光催化稳定性。石墨烯在光催化过程中不仅通过自身大的比表面积能够吸附更多的有机染料,同时由于石墨烯快的电子传导速率能够促进光生电子的导出,从而有效降低光生电子与空穴的复合效率。更重要的是石墨烯作为零禁带的半导体,能够在可见光下被激发产生光生电子,从而实现宽禁带半导体ZnO的可见光相应。该研究所用到的石墨烯在ZnO纳米棒阵列表面的负载方法同样适用于其它宽禁带半导体氧化物与石墨烯的复合,从而有助于其在光催化、纳米发电机以及太阳能电池等领域的应用。相关成果以封面文章的形式发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201670147)上。

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