摘要: 随着全球人口的快速增长和经济的加快发展，环境污染已成为人类生存的最大威胁。半导体光催化因其在环境净化中的重要应用引起了广泛关注。限制光催化效率的主要因素是光生载流子的快速复合，光生载流子的复合比界面电荷输运快，从而降低了光催化材料... 展开 随着全球人口的快速增长和经济的加快发展，环境污染已成为人类生存的最大威胁。半导体光催化因其在环境净化中的重要应用引起了广泛关注。限制光催化效率的主要因素是光生载流子的快速复合，光生载流子的复合比界面电荷输运快，从而降低了光催化材料的量子效率。因此，提高光催化效率的关键是促进光生载流子的分离和输运。石墨烯作为碳类材料的新星，能够存储和输运电荷，促进光生电子空穴的分离，以及按照需求向吸附物质输运电子。本文将石墨烯引入光催化中，设计并合成了核壳结构的石墨烯复合光催化材料，详细研究了石墨烯在光催化中的作用，包括增加污染物的吸附、拓展光响应范围、促进光生载流子的分离与迁移和改变表面化学反应的过程等。论文主要内容包括: (1)采用两步液相法合成低OH相关晶格缺陷的BiPO4和BiPO4-rGO准核壳结构长方体。与一步水热法合成的BiPO4相比，两步合成法能够避免六方相BiPO4前驱体的形成，从而抑制晶格中OH缺陷的产生。详细研究了石墨烯在光催化中的作用，特别是石墨烯的引入对光催化表面化学反应的影响。石墨烯的引入不仅能够增加污染物的吸附、拓展光响应范围和促进光生载流子的分离与迁移，而且改变了表面化学反应的过程和机制。发现这种改变主要来源于石墨烯与吸附的分子氧O2之间的相互作用。由于电子从石墨烯向吸附的氧分子上转移，石墨烯能够调节电子的界面电荷输运和活化分子氧形成超氧自由基O2·-作为主要氧化物种。合成的BiPO4-rGO的复合光催化剂表现出优于纯BiPO4和P25的光催化性能，分别是BiPO4和P25光催化性能的4.3倍和6.9倍。对石墨烯在光催化中的调节作用提出了崭新的理解，同时也为高活性石墨烯复合光催化材料的合成和设计提供了支持。 (2)采用两步法制备了ZnO@rGO的准核壳结构，然后在紫外光激发下光还原负载Ag颗粒在ZnO@rGO的核壳表面，制备了ZnO-石墨烯-Ag三元不对称结构。与纯的ZnO和ZnO@rGO相比，ZnO@rG-Ag表现出了优异的光催化活性和光电化学性能，其光催化性能是ZnO@rGO的1.9倍和ZnO的4.5倍。此外，ZnO和石墨烯的核壳结构有效抑制ZnO光催化降解过程中的光腐蚀问题，主要来源于石墨烯的保护作用。超高的光催化活性和优异的光电流都表明了石墨烯和金属Ag复合能有效促进半导体光生载流子的分离和输运。有效的界面电荷输运是实现高效光催化的关键。光致发光谱中ZnO的带隙复合峰和缺陷复合峰在复合石墨烯和负载Ag后都逐渐进一步降低，特别是缺陷复合峰基本消失，表明光生电荷的有效分离且抑制了缺陷对光生电荷的捕获。荧光寿命谱表明，ZnO@rGO光生电子向石墨烯的电荷输运速率为6.7×10-7 s-1，而进一步负载Ag后，ZnO光生电子得迁移率进一步提高，约为9.8×10-7 s-1。因此，石墨烯可以和贵金属共同相互作用进一步促进了ZnO激发电子向石墨烯的迁移，从而提高了光催化效率，为光催化材料的设计提供支持。 收起