原位光化学还原法制备rGO/TiO2表面异质结构增强光催化性能

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石墨烯作为零带隙二维材料,其优异的电子特性已经获得了广泛的关注和研究。基于石墨烯高效电子输运特性的石墨烯-二氧化钛纳米颗粒复合异质结构显著增强了TiO2的光催化性能。然而,作为纳米颗粒状纳米光催化剂,其催化后分离与回收成本高,在一定程度上限制了此类异质结构的应用。相对于纳米颗粒,TiO2纳米带既保持了与TiO2纳米颗粒相当的光催化活性,又具有了很好了分离和回收特性,并且可以通过构建纳米纸滤膜的方式实现连续光催化。因此,实现石墨烯材料在TiO2纳米带上的有序组装,有可能增强其光生载流子的分离作用,从而进一步增强其光催化效应,进而更加有效的应用于连续光催化等方面。

在TiO2纳米带的研究基础上,通过对材料表面电性演化过程的研究,山东大学晶体材料国家重点实验室刘宏教授课题组实现了氧化石墨烯(GO)在TiO2纳米带上的均匀包覆。这种包覆过程是利用GO和TiO2纳米带表面电性不同,通过调整水和酒精的比例,改变两种材料表面电性实现的。然后利用TiO2本身的光催化作用,在紫外光下实现GO的还原(rGO)而形成rGO/TiO2纳米带表面异质结构。实验结果显示,由于rGO能够显著增强光生载流子的分离,使得rGO/TiO2纳米带表面异质结构具有较高的光催化性能,实现对有机染料的光降解和光解水制氢效率的增强。

该工作利用简便可行、成本低廉的方法实现了rGO/TiO2纳米带表面异质结构的制备,并且能够实现批量化制备,得到的复合材料有望在光能转换中得到实际应用。此外,提出的方法是一种二维/一维材料复合的普适性方法,可以在多种其他材料上实现应用。