石墨烯具有獨(dú)特的熱、電和光學(xué)性能，并以高的比表面積性能，使其非常適于用作復(fù)合材料的理想載體。目前，石墨烯基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于傳感器、新能源、光催化、電容器、生物材料等領(lǐng)域，特別是在在光催化和電催化領(lǐng)域，具有廣闊應(yīng)用前景。下面小編介紹石墨烯復(fù)合材料在催化領(lǐng)域應(yīng)用。

一、石墨烯/TiO₂復(fù)合材料

1、石墨烯/TiO₂復(fù)合材料光催化性能

石墨烯作為TiO2光催化材料的載體，不僅可以提高催化材料的比表面積和吸附性能，還能夠抑制TiO₂內(nèi)部光生載流子的復(fù)合，降低了電子-空穴對(duì)的重組率，從而促進(jìn)TiO₂的光催化性能，提高其利用效率，因此制備TiO₂/石墨烯復(fù)合材料可以進(jìn)一步提高材料的光催化活性。

石墨烯/TiO₂復(fù)合材料光催化機(jī)理示意圖

2、石墨烯/TiO₂復(fù)合材料制備方法

目前，石墨烯/TiO₂復(fù)合材料的制備方法主要有溶膠-凝膠法和水熱法等。 兩種方法對(duì)于石墨烯的前體準(zhǔn)備都是通過Hummers法得到氧化石墨烯，然后通過還原手段一步法得到還原氧化石墨烯/TiO₂復(fù)合材料。

左圖：石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖；右圖：氧化石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖

    （1）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法通常是將鈦的前體與氧化石墨烯溶液混合并攪拌均勻，氧化石墨烯通過氫鍵作用力與鈦的前體結(jié)合并發(fā)生縮合、聚合反應(yīng)最終形成具有 Ti-O-Ti三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，然后經(jīng)過干燥、焙燒、研磨得到石墨烯/TiO₂復(fù)合材料。在溶膠-凝膠法制備過程中，氧化石墨烯的制備方法、石墨烯的摻雜量、焙燒溫度等因素對(duì)復(fù)合材料的光催化性能都有較大的影響。

溶膠-凝膠法優(yōu)點(diǎn)是：操作簡(jiǎn)單，工藝較為成熟并且制備成本較低，制得的復(fù)合材料純度較高。

缺點(diǎn)是：在制備過程中石墨烯易發(fā)生團(tuán)聚，且工藝較為耗時(shí)。

（2）水熱法

水熱法是目前制備石墨烯/TiO₂復(fù)合材料最常用的方法。其主要工藝過程是將石墨烯的氧化物與鈦前體按一定比例混合均勻后移入高壓釜等容器中，在高溫高壓的條件下，氧化石墨烯被還原成石墨烯的同時(shí)一步得到石墨烯/TiO₂復(fù)合光催化劑。

水熱法制備石墨烯/TiO₂復(fù)合材料SEM圖

水熱法優(yōu)點(diǎn)是：在制備過程中不需要對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行高溫焙燒處理，避免了石墨烯易團(tuán)聚的問題，并且制備的復(fù)合材料結(jié)晶度良好、產(chǎn)物純度較高。

二、AgNbO₃/石墨烯復(fù)合納米材料

AgNbO₃/石墨烯復(fù)合納米材料主要采用固相法合成。AgNbO₃與石墨烯復(fù)合后，帶隙能明顯降低，吸收光波長(zhǎng)范圍增大。AgNbO₃/石墨烯復(fù)合納米材料對(duì)甲基橙的可見光催化性能明顯增強(qiáng)。AgNbO3/石墨烯復(fù)合納米材料經(jīng)300℃煅燒處理后，其光催化性能最佳。

AgNbO₃/石墨烯復(fù)合納米材料TEM圖片（300℃）

三、石墨相氮化碳/石墨烯復(fù)合材料

石墨相氮化碳/石墨烯復(fù)合材料是以三聚氰胺和氧化石墨烯顆粒為原料，通過研磨負(fù)載、 氮?dú)鈿夥障蚂褵姆椒ǎ苽涫嗟?/span>/石墨烯復(fù)合光催化劑。其光催化機(jī)理與石墨烯/TiO₂復(fù)合材料相同，石墨烯提供了電子轉(zhuǎn)移場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)光生電子-空穴的有效分離，從而提高了光催化效率。

石墨相氮化碳/石墨烯復(fù)合材料TEM圖片

四、CdS/石墨烯納米復(fù)合材料

CdS/石墨烯納米復(fù)合材料主要采用超聲化學(xué)法合成，該方法主要利用石墨烯極大的比表面積和優(yōu)異的吸附性能，當(dāng)其與Cd鹽溶液接觸時(shí)，Cd²⁺通過靜電吸附和物理吸附于石墨烯片層上，在NaB H₄作用下石墨烯片層上Cd²⁺被還原成Cd原子團(tuán)簇，并進(jìn)一步與溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成CdS/石墨烯納米復(fù)合材料。

CdS/石墨烯納米復(fù)合材料相比于單純的CdS，復(fù)合材料的吸收峰和發(fā)射峰均發(fā)生藍(lán)移和款化現(xiàn)象，其光催化性能顯著提高。

CdS/石墨烯納米復(fù)合材料機(jī)理

CdS/石墨烯納米復(fù)合材料SEM圖片

五、石墨烯/BiVO₄復(fù)合材料

合成石墨烯/BiVO₄復(fù)合材料是先通過表面活性劑輔助水熱法合成具有（040）刻面的BiVO4多面體。隨后，通過BiVO₄多面體和石墨烯板之間的蒸發(fā)誘導(dǎo)的自組裝工藝構(gòu)建了氧化石墨烯/BiVO₄復(fù)合材料，最后將氧化石墨烯/BiVO₄復(fù)合材料通過溫和、綠色的方法轉(zhuǎn)化為石墨烯/BiVO₄復(fù)合材料。

石墨烯/BiVO4復(fù)合材料具有獨(dú)特界面耦合結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高了電荷分離效率和表面吸附能力，提高其光催化活性。

石墨烯/BiVO₄復(fù)合材料光催化示意圖

六、多孔石墨烯/Ni復(fù)合材料

多孔石墨烯/Ni復(fù)合材料是采用KOH氧化法，在惰性氣氛下通過高溫焙燒制備多孔石墨烯和鎳摻雜多孔石墨烯。其多孔結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提高電化學(xué)催化性能，成為高性能超級(jí)電容器的最有希望的候選者，具有廣闊應(yīng)用前景。

作者：李波濤