石墨烯在光催化领域的应用前景

石墨烯，即具有独特的单原子层二维晶体结构的石墨片。石墨烯具有一系列独特的物理性能，如良好的载流子特性，电子迁移率及完美的量子隧道效应等。近年来的研究表明，石墨烯能有效扩大材料对光的吸收范围，提高光催化效率，显示出在光催化领域的应用前景。因此，将石墨烯与光催化材料结合成复合材料，通过石墨烯与光催化材料之间的协同作用，提高光催化材料的光催化效率，成为一个重要的研究方向。

一，光催化降解

光催化降解可以吸附降解水中的有机污染物以及空气中的污染气体等，对环境治理与修复具有重要的意义。研究表明，TiO2具有光催化降解功能，而将石墨烯与TiO2制成复合材料则可提高其光催化降解效率。其原理是：1）石墨烯具有优异的导电性能，有效地引导激发电子，降低了空穴与电子的复合概率；2）石墨烯与Ti-O-C化学键相互作用，改变了TiO2原本的禁带宽度，增大了TiO2对可见光的利用率；3）石墨烯片层结构具有巨大的比表面积和共轭结构，可以吸附大量污染物，为光催化反应提供了理想的反应位，有利于反应的进行。实验表明，TiO2-石墨烯复合材料对O3具有较高的光降解效率，光催化降解率可达66%~77%，即使初始O3浓度较低，去除率也能达到45%以上。该复合光催化剂在重复使用4次后，其对O3的光催化降解率仍保持基本稳定。

二，光催化制氢

面临当前化石能源的日益短缺，氢能源因其无污染等优点，越来越引起重视，而光催化制氢，以取之不尽的太阳能作为动力能源自然引起关注。据报道，通过超声磺化石墨烯片和TiO2球粒的混合液制备出片层复合材料。该复合材料在宽的pH范围（pH=3~11）内都有比较高的光催化制氢效率。在中性溶液中，当石墨烯的质量分数为2%时该复合材料具有最高的催化效率，其催化效率是纯的TiO2的11倍。该复合材料之所以拥有如此高的催化效率，是因为利用了石墨烯的高比表面积，高光吸附效率及高电荷分离性能，同时由于石墨烯与TiO2的协同作用阻止了碱性溶液的破坏性。

三，光电转换

光电转换是将太阳能转换成电能。石墨烯具有比表面积大，载流子迁移率高，透光率高等优点，可以有效降低光激发电子空穴的复合率并且增加光的吸收范围，从而可以提高光电转换效率。因此，有希望将石墨烯应用到太阳能电池中替代稀缺的铟资源，从而更好地利用太阳这一巨大的能源库。实验表明，石墨烯-ZnS复合材料比纯的ZnS具有更高的光电转换效率。据报道，通过丝网印刷制备8层TiO2薄膜太阳能电池，在加入一定量的石墨烯之后，该太阳能电池的光电转换效率从5.52%提高到6.49%。另据报道，将石墨烯与Cu2ZnSnS4复合之后再应用到太阳能电池中，其光电转换效率比单纯Cu2ZnSnS4有明显的提高，从4.77%提高到7.81%。