周劉洋， 金燚翥

（1.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司， 沈陽 110041 ；2.哈爾濱電碳廠，哈爾濱 150025）

0 引言

隨著社會、經濟的發(fā)展，水質污染問題嚴重影響和威脅著人類的生存和健康，制約著經濟和社會的發(fā)展。其主要來源有兩個方面：一是水體中的生物群體產生的有機物以及水體底泥釋放的有機物；二是外界向水體中排放的有機物。治理有機污染物的，探索新型高效的有機污染物處理方法，是提高人民生活水平和生活質量，促進社會可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。

目前工業(yè)上常見的水處理方法存在著不同程度的問題，特別是根據(jù)某些水處理標準，現(xiàn)有方法難以完全去除水中的有毒有機物。因此，提高水處理的技術水平，探索更為經濟有效的水處理方法成為當前各國研究的重點。

1 二氧化鈦在光催化方面的應用

TiO2光催化降解技術的反應條件溫和、污染物降解徹底、效率高、無生二次污染，是目前最具前景的污水處理方法之一，已經成為當今世界廣泛關注和研究的課題。

光催化技術的基礎是尋找穩(wěn)定、廉價、高性能的半導體催化劑，而現(xiàn)階段TiO2光催化劑因其操作簡單、能耗少、降解速度快、降解范圍廣，成本低廉，以及其優(yōu)異的光催化性能使其成為最有前途的半導體光催化劑之一。

近年來，一維 TiO2納米材料的可控合成更是為該種材料在光催化領域的應用提供了更廣闊的空間[1]。而且TiO2的晶體結構存在三種結構形式分別是銳鈦礦、金紅石和板鈦礦，不同晶體結構的 TiO2性能也存在不同的差異以及用途，其中銳鈦礦型的TiO2在紫外光下表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性能[2-3]。

但是在實際應用中，TiO2作為光催化劑還存在一些缺陷，首先 TiO2的光生電子和光生空穴的壽命極短，二者很容易復合，從而使 TiO2的量子產率低，光催化活性不高；其次由于TiO2具有寬的帶隙，銳鈦礦型的TiO2禁帶寬度為 3.2eV，激發(fā)光僅限于波長小于390nm 的紫外光區(qū)域，限制了 TiO2對太陽光的利用；最后，TiO2的比表面積不高，吸附能力差，反應后回收困難。

綜上所述，對 TiO2光催化劑進行改性，抑制光生電子和光生空穴的復合，提高其量子效率，擴大其光響應波長至可見光區(qū)域（可見光占太陽光輻射的 46%左右），提高比表面積，以便更大程度的利用太陽光，是 TiO2光催化納米復合材料未來發(fā)展的方向。

2 石墨烯/ TiO2 復合物在光催化領域的研究

石墨烯（GN）是由單層sp2雜化的碳原子以化學鍵連接，呈蜂巢晶格排列的穩(wěn)定六邊形平面二維納米材料。近年來，由于石墨烯本身具有的優(yōu)異性能，并且其表面富含大量的活性基團，容易和氧化物納米結構材料結合形成復合物，因此石墨烯/氧化物復合材料已經被大量研究[4-6]。

據(jù)相關研究表明：石墨烯/TiO2納米復合材料可以延伸光吸收范圍，同時能將形成的光生電子和空穴快速分離。除此以外，其具有更高的吸附能力、高光催化活性和可見光敏感性。

崔曉莉等[7，8]制備了不同的石墨烯/ TiO2納米結構的復合物，并研究了其催化裂解水制氫的性能，在紫外-可見光的照射下，石墨烯/TiO2復合材料的光催化分解水產氫率達到了 8.6 u mo/h。

李景虹等[9]等制備了 P25-石墨烯納米復合材料，P25 納米粒子負載在石墨烯納米薄片上，復合材料的染料吸附性能有所提高，光的吸收范圍有所增加，電荷分離性能進一步提升，P25-石墨烯納米復合材料的光催化活性比純 TiO2有著很大的提升，且比CNTs-P25 復合材料具有更高的光催化活性。P25-石墨烯光催化降解亞甲基藍的機理如圖1 所示。

圖1 P25-石墨烯光催化降解亞甲基藍的機理Fig.1 mechanism of photocatalytic degradation of methylene blue by P25 graphene

王祥科等[10]合成了石墨烯- TiO2可見光光催化劑“dyade”狀結構。該石墨烯- TiO2納米復合材料具有銳鈦型，在可見光區(qū)域能吸收大量的光能量，驅動有效的光化學降解反應。他們發(fā)現(xiàn)，石墨烯在電子運輸和吸附兩個方面提高了TiO2的光催化活性。

由于石墨烯的獨特性能，石墨烯/TiO2納米復合材料可以延伸光吸收范圍，以及有著簡單的電荷輸運可以將形成的光生電子和空穴快速分離。石墨烯/TiO2納米復合材料是一種很有前途的光催化劑，并且具有更高的吸附能力、高光催化活性和可見光敏感性。

3 展望

當前，很多研究報道了石墨烯/ TiO2的納米復合材料，其中包括石墨烯作為生長 TiO2納米結構的載體，但是到目前為止，很少有報道細致研究 TiO2納米結構在石墨烯上的生長過程，而基于石墨烯模板上可控制備不同晶型的TiO2納米結構的研究更少。在石墨烯功能化的基礎上，通過實驗條件的調節(jié)，在石墨烯載體上實現(xiàn) TiO2納米晶的可控構筑，在石墨烯表面合成晶型與尺度可控的TiO2納米晶體，并制備出石墨烯基TiO2的二元、三元納米復合材料，有效抑制了TiO2的光生電子和光生空穴的復合，提高了TiO2在可見光下的光催化效能，增強了 TiO2納米結構復合物在光催化降解水體中有機污染物的效率，為TiO2納米材料的研究提供了新的思路。