國內外研究現狀和發展動態
石墨烯是具有優異的力學、電學和熱學等性能[1]，是納米催化劑的理想載體之一。石墨烯巨大的比表面積(理論計算值達2630 m2·g-1)有利于納米材料分散，阻止納米材料團聚，增大比表面積；石墨烯片含有大量未成對可自由移動電子，具有較大的電子存儲能量，能捕獲和傳導光激發電子，妨礙或阻止催化劑中光激發電子和空穴對的復合以及促進電子-空穴對發生光生作用；石墨烯片上缺陷處碳原子與催化劑發生鍵合作用，能拓寬光譜響應范圍和提高催化活性。因此，石墨烯被廣泛地用來提高TiO2納米材料的光催化性能[2-4]。
近年來，科研工作者通過表面改性、半導體復合、貴金屬敏化和催化劑載體復合等手段[5, 6]，已開發出系列高效、可見光響應的石墨烯/氧化鈦基光催化材料，大大提高了太陽光能的利用效率，降低由于必須采用紫外照射帶來的成本增加和運行風險，有利于石墨烯/氧化鈦基光催化材料進入實際應用。然而，現有的高效可見光光催化材料在失去外界光源的能量供應之后將不能產生電子-空穴對，從而無法生成活性基團，其反應活性迅速喪失，也無法繼續對環境中的污染物進行處理；另外，現開發的高效石墨烯/氧化鈦基光催化材料在污水處理中很難回收，易造成二次污染等問題，大大限制其實際使用，也會增加其使用成本。鑒于這些原因，開發具有儲能、可重復利用的石墨烯/氧化鈦基光催化材料極為重要。
目前，解決石墨烯/氧化鈦基復合催化材料回收難的方法有以下幾種：(1) 通過與磁性材料結合獲得具有磁性的石墨烯/氧化鈦基光催化材料，有利于解決石墨烯/氧化鈦基納米材料的回收問題[7]。(2) 將石墨烯/氧化鈦基催化材料做成納米薄膜，促進了石墨烯/氧化鈦基光催化材料在污水處理中的回收[8]。盡管這些方法有一定的成效，但還存在一些問題。例如，制備的磁性光催化材料在污水處理中容易失去磁性，造成水體的二次污染；將納米材料制成納米薄膜，大大降低了催化劑與污染物之間的接觸，質量傳遞效率低，從而大大降低了光催化效率。因此，在石墨烯/氧化鈦基催化材料復合體系的組裝、微觀結構設計、復合體系中各組元的構效關系等方面還需要深入的實驗和理論研究，還有許多新的性能、新的現象、新的理論需要去發現和建立。
量子點粒徑小，比表面積大，擁有很高的催化活性，且由于其粒徑小和特殊的電子結構，導致其類似于貴金屬納米顆粒，能起到敏化作用，提高催化劑的光譜響應范圍；具有分離電子作用：因為量子點尺寸小，表面缺陷多，容易被捕獲光生激子，并將作為受體轉移電子，從而使得光生電子-空穴對易于分離；具有上轉換作用：量子點將吸收長波長而發出短波長，提高太陽光的利用率和光催化效率。近年來，量子點納米材料在太陽光電(PV)、光催化劑、光傳感器以及其他光電組件的輸出量等方面顯示出重要的作用，因而引起了世界各國科學工作者的極大興趣[9]。特別是蘇州大學康振輝教授團隊制備的碳納米點-氮化碳(C3N4)納米復合物可以利用太陽能實現高效的完全分解水，催化活性200天保持不變[10]。
為了獲得高效、太陽光利用率高的石墨烯/氧化鈦基可見光催化材料，及解決納米催化劑在污水處理中難回收問題，本項目擬利用氧化鎢量子點改性石墨烯/氧化鈦基光催化材料，利用氧化鎢量子點比表面大、催化活性高，提高石墨烯/氧化鈦基光催化材料的光譜響應范圍，降低光生電子-空穴對的復合，從而提高光催化效率。在此基礎上，本項目將石墨烯/氧化鈦基量子點光催化材料設計成多孔薄膜，增加薄膜材料在污水處理中的質量傳遞效率，提高催化材料的光催化效率，以及解決納米催化劑在污水處理中難回收等瓶頸問題，從而推動石墨烯/氧化鈦基光催化材料在污水處理和環境保護等領域的應用。
參考文獻
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