石墨烯基光催化膜的最新研究进展综述

随着环境污染问题的日益严重，光催化技术因其清洁、高效和可持续的优势，在环境治理领域引起了广泛关注。然而，传统光催化材料如二氧化钛（TiO₂）在实际应用中仍面临响应范围窄、光生电荷易复合、催化效率低等挑战。近年来，石墨烯因其独特的二维结构、高导电性和大比表面积，成为突破传统光催化材料局限的研究热点。本文综述了石墨烯基光催化膜在制备技术、性能优化及其实际应用方面的研究进展，总结了石墨烯与不同光催化剂复合的界面机制差异，并对未来研究方向进行了展望。

关键词：石墨烯；光催化膜；环境治理；异质结；性能优化

1. 研究背景

1.1 光催化技术的意义

光催化技术是一种基于太阳能利用的绿色技术，利用光催化剂吸收光能产生光生电子-空穴对（e⁻/h⁺），进而生成具有强氧化性的活性氧物种（如羟基自由基OH•和超氧自由基O₂•⁻），实现污染物的降解和能源转化。

污染物降解：光催化剂可将有机污染物分解为CO₂和H₂O，适用于污水处理和空气净化。

能源转化：将太阳能转化为化学能，用于水分解制氢、CO₂还原等反应。

1.2 传统光催化材料的局限性

尽管光催化技术具有巨大潜力，但传统光催化材料（如TiO₂、ZnO）存在以下不足：

光响应范围窄：如TiO₂的带隙为3.2 eV，仅能响应紫外光（占太阳光能量的4%左右）。

电子-空穴对易复合：光生电子和空穴复合率高，导致量子效率不高。

机械稳定性差：纳米颗粒催化剂在水中易团聚或流失，影响使用寿命。

1.3 石墨烯的优势

石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具备独特的物理化学性能：

高导电性：电子迁移率高达200,000 cm²/(V·s)，有助于光生电子的快速传输。

大比表面积：理论比表面积达2630 m²/g，为催化反应提供丰富的活性位点。

光响应广：其π-π共轭结构可吸收紫外至近红外范围的光。

化学稳定性好：抗氧化和抗腐蚀性能优异，适用于复杂环境。

石墨烯的引入显著增强了光催化剂的性能，表现为拓宽光响应范围、提高电子-空穴对分离效率以及增强催化剂的稳定性。

2. 石墨烯基光催化膜的制备方法及优缺点

石墨烯基光催化膜的制备方法直接影响其性能、成本和适用范围。以下介绍几种常见方法及其优缺点。

2.1 溶液法

溶液法通过将石墨烯和光催化剂分散在溶液中，利用静电作用或化学键合作用形成复合材料，随后通过涂覆、浸涂或旋涂等方式制备膜材料。

优点：工艺简单、成本低、灵活性强。

缺点：石墨烯在溶液中易团聚，复合膜均匀性差，机械性能较弱。

应用实例：TiO₂/石墨烯复合膜在降解水中甲基橙染料的实验中表现出显著性能提升，降解效率比纯TiO₂提高了近60%。

2.2 化学气相沉积（CVD）

CVD方法通过分解气态碳源（如甲烷）在金属基底上沉积石墨烯薄膜，再结合光催化剂形成复合膜。

优点：制备的石墨烯质量高，薄膜均匀性好。

缺点：设备昂贵，工艺复杂，规模化困难。

应用实例：CVD法制备的ZnO/石墨烯复合膜显著提高了甲醛降解效率。

2.3 真空过滤法

真空过滤法通过过滤石墨烯和光催化剂的混合溶液，将其沉积在基底上形成薄膜。

优点：操作简单，膜的均匀性高。

缺点：界面结合力较弱，机械性能有限。

应用实例：石墨烯/TiO₂复合膜在水分解制氢实验中表现出优异的光催化性能。

2.4 层层自组装法

通过静电作用或化学键合作用，将石墨烯和光催化剂逐层堆叠形成复合膜。

· 优点：膜结构可控，多功能性强。

· 缺点：工艺复杂，制备周期长，成本较高。

· 应用实例：石墨烯/CdS复合膜在可见光下的水分解制氢效率比纯CdS提高了近3倍。

3. 性能分析

石墨烯基光催化膜的实际应用效果取决于其光催化降解性能、水分解制氢性能、抗污染性能等。

3.1 光催化降解性能

石墨烯通过以下机制增强光催化降解性能：

1. 光生电子的捕获与传输：石墨烯迅速捕获光生电子，减少电子-空穴对的复合。

2. 污染物吸附：石墨烯的大比表面积为污染物提供更多吸附位点。

· 实例：TiO₂/石墨烯复合膜在紫外光下对甲基橙的降解效率比纯TiO₂提高了50%。ZnO/石墨烯复合膜在可见光下对罗丹明B的降解速率提高了近3倍。

3.2 水分解制氢性能

石墨烯基光催化膜通过增强电子传输效率和抗光腐蚀能力，提高了水分解制氢效率。

· 实例：CdS/石墨烯复合膜在可见光下的氢气产量比纯CdS提高了2倍以上。

3.3 抗污染性能

石墨烯基光催化膜的光催化自清洁能力和疏水性能显著提高了其抗污染性能。

· 实例：石墨烯/TiO₂复合膜在处理含油污水时表现出卓越的抗污染性能。

4. 石墨烯与不同光催化剂复合的界面机制差异

石墨烯与不同光催化剂的界面机制因其独特的材料特性而有所差异。当石墨烯与TiO₂结合时，石墨烯能够捕获TiO₂的光生电子，形成Schottky界面，有效抑制电子回流，从而提高紫外光催化性能并拓展可见光响应范围。与ZnO结合时，石墨烯主要起到钝化ZnO表面缺陷的作用，促进光生电子的转移，进而提高可见光催化效率并改善化学稳定性。对于CdS，石墨烯能抑制其光腐蚀，形成Z型异质结，提高电子-空穴的分离效率，从而增强可见光催化活性并延长使用寿命。而与g-C₃N₄结合时，石墨烯通过π-π相互作用增强界面结合力，延长光生载流子的寿命，进而拓宽光响应范围并显著提升可见光催化效率。

5. 总结与展望

5.1 研究总结

石墨烯基光催化膜通过与传统光催化剂的复合显著提升了光响应范围、电子分离效率和稳定性，为污染物降解和清洁能源生产提供了新路径。当前研究主要集中于制备方法优化、界面机制研究和实际应用开发。

5.2 未来展望

1. 低成本制备技术：开发绿色、高效的石墨烯制备方法，降低生产成本。

2. 多功能复合材料设计：结合其他二维材料（如MoS₂）开发多功能光催化膜。

3. 实际应用验证：在复杂环境中测试性能，验证其工业化可行性。

4. 智能化发展：开发自修复、响应型光催化膜，提高其适应性和使用寿命。

5. 石墨烯基光催化膜在光催化领域展示了广阔的应用前景。随着技术的不断突破，石墨烯基光催化膜将为环境污染治理和能源转型提供重要支撑。

6.参考文献

[1]马志鹏,张玉亭,李岩等.石墨烯增强SiC/Al界面结合的第一性原理[J/OL].中国有色金属学报:1-13[2025-01-02].http://kns.cnki.net/kcms/detail/43.1238.TG.20241231.1100.007.html

[2]李蔚,张毅然,陈树军等.Ti化合物与石墨烯复合掺杂改善MgH_2放氢性能模拟研究[J].油气与新能源,2024,36(06):26-33.

[3]李世龙,焦岗成.旋涂法制备石墨烯光阴极与测试分析[J].红外技术,2024,46(12):1459-1463.

[4]武海进,王伟,杨玉帅等.压强对HfO_2薄膜表面石墨烯合成的影响研究[J].稀有金属与硬质合金,2024,52(06):75-81.DOI:10.19990/j.issn.1004-0536.2024.06.075.07.

[5]钟存贵,谢留雨,华亚楠等.石墨烯复合材料在超级电容器中的研究进展[J].化工新型材料,2024,52(12):1-7.DOI:10.19817/j.cnki.issn1006-3536.2024.12.020.

[6]崔长春,李奇林,谈志东等.石墨烯改性Ni-Cr合金激光钎焊金刚石界面组织与力学性能研究[J/OL].表面技术:1-10[2025-01-02].http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1083.TG.20241204.1028.008.html

[7]秦予,薛国明,徐杰等.石墨烯电热涂料的研发与应用进展[J].涂料工业,2024,54(12):80-84.

[8]孙晓辉,张婧婧,朱洪雷.BN-石墨烯-BN夹层式结构的ABS基复合材料导热绝缘性能[J].塑料,2024,53(05):33-37.

[9]王振廷,刘镕钰,尹吉勇.石墨烯/涤纶导电纤维的制备与性能研究[J].广东化工,2024,51(19):32-34+19.

[10]张盟,闫慧,印寿根.常压化学气相沉积法制备少层石墨烯[J/OL].天津理工大学学报:1-7[2025-01-02].http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1374.N.20240913.1902.002.html

[11]姚杰,杨澜,吴璞伟.石墨烯/氧化石墨烯与水化硅酸钙界面粘结性能研究[J].硅酸盐通报,2024,43(10):3524-3533.DOI:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.20240830.002.

[12]王良旺,徐岩岩,何立粮等.石墨烯材料结构形貌检测方法研究进展[J].中国测试,2024,50(S1):1-5.

[13]谭婧.石墨烯纳米复合材料制备及其在锂离子电池中的应用进展[J].合成材料老化与应用,2024,53(04):80-84.DOI:10.16584/j.cnki.issn1671-5381.2024.04.007.

[14]Cheng N,Chen X,Zhang L, et al. Reduced graphene oxide doping flower-like Fe 7 S 8 nanosheets for high performance potassium ion storage[J]. Journal of Energy Chemistry,2021,54(prepublish).

[15]Qianjin H,Zhongqiang Z,Zhen L, et al. Pinning effect in droplet self-driving and its reduction mechanism by monolayer graphene[J]. Applied Surface Science,2021,542.

[16]Parthasarathi B,Ghuzanfar S,Nam K H, et al. Fabrication of hierarchical Zn–Ni–Co–S nanowire arrays and graphitic carbon nitride/graphene for solid-state asymmetric supercapacitors[J]. Applied Surface Science,2021,542.

[17]Danmei H,Chengling Z,Yao Y, et al. A facile ex situ strategy of α-MnS nanoparticles anchored on holey graphene as high-performance anode for lithium-ion batteries[J]. Applied Surface Science,2021,542.

[18]J. D R,Y. C L,A. B L, et al. O2-oxidation of individual graphite and graphene nanoparticles in the 1200–2200 K range: Particle-to-particle variations and the evolution of the reaction rates and optical properties[J]. Carbon,2021,173(prepublish).

[19]V.O. K,S.G. S,A.A. K, et al. Nanoscale coupling of MoS2 and graphene via rapid thermal decomposition of ammonium tetrathiomolybdate and graphite oxide for boosting capacity of Li-ion batteries[J]. Carbon,2021,173.

[20]Je H W,Seongchan K,Young-Jin C, et al. Inhomogeneous work-function hysteresis in chemical vapor deposition-grown graphene field-effect devices[J]. Carbon,2021,173.

[21]Somayeh Z,Sung J W,Muhammad S, et al. Ultralight graphene/graphite hybrid fibers via entirely water-based processes and their application to density-controlled, high performance composites[J]. Carbon,2021,173.

[22]Yajuan Z,Xiaoyan Y,Ting L, et al. Hydrated vanadium pentoxide/reduced graphene oxide composite cathode material for high-rate lithium ion batteries[J]. Journal of Colloid And Interface Science,2021,585.

[23]Su F,Wu Z. A perspective on graphene for supercapacitors: Current status and future challenges[J]. Journal of Energy Chemistry,2021,53.

[24]Jia M,Jin Y,Zhao C, et al. ZnSe with nanostructure embedded in graphene nanosheets with elevated electrochemical performance for anode material of sodium ion battery[J]. Journal of Alloys and Compounds,2021,854.

[25]D. S D,K. M,J. D A, et al. Comparative study of electrosorption performance of solar reduced graphene oxide in flow-between and flow-through capacitive deionization architectures[J]. Separation and Purification Technology,2021,257.

[26]Cao M,Su J,Fan S, et al. Wearable piezoresistive pressure sensors based on 3D graphene[J]. Chemical Engineering Journal,2021,406.