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石墨烯及其衍生物材料以其优越的电学、光学和热学性质,及其较大的理论比表面积和独特的二维结构,受到了各领域的广泛关注。近年来,人们发现将光催化剂与石墨烯复合制成光催化复合材料,能极大地改进材料的光催化性能。 本文在介绍石墨烯基无机纳米复合材料,尤其是光催化复合材料的研究现状、合成方法、应用和发展趋势的基础上,系统地研究了石墨烯与多种磷酸盐的纳米复合材料的合成方法、形成机理和尺寸形貌控制,重点研究了所合成材料的可见光光催化性质,探讨了光催化性能增强的机理。具体如下: 1.我们通过两相自组装法首次将石墨烯与BiPO4纳米粒子复合在一起,制备了GO-BiPO4纳米复合材料。利用X-射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、紫外-可见(Uv-vis)光谱等对所得产物进行了表征。我们发现在模拟太阳光照射下,GO-BiPO4纳米复合材料光催化降解亚甲基蓝(MB)的性能明显高于单独BiPO4纳米粒子。一方面是因为:p型GO与n型BiPO4[50]结合,形成p/n异质结,这种结构能有效分离电荷,并且延长电荷载体的寿命。同时,GO作为敏化剂,能增强纳米复合材料对可见光的吸收。另一方面,由于在反应体系中加入了H2O2,而H2O2作为有效的电子捕获剂能捕获电子产生·OH,直接破坏MB分子的环状结构,从而增强了光催化活性。 2.通过简单的水热法合成了石墨烯与碱式磷酸铁的复合材料,所得产物用XRD、SEM、FTIR和Uv-vis光谱等进行了表征。结果表明在一定条件下,单独合成的碱式磷酸铁为球形和花状两种形貌,而在石墨烯复合物中碱式磷酸铁则为单一的球形。而且我们发现,在模拟太阳光照射下,石墨烯与碱式磷酸铁的复合物光催化降解亚甲基蓝的性能明显高于单独的碱式磷酸铁。 3.我们采用自组装法成功合成了氧化石墨烯(GO)与磷酸铁的纳米复合材料(GO-FePO4),并且利用XRD、TEM、FTIR、Uv-vis光谱等对所得复合物进行了表征。结果显示,在模拟太阳光照射下,GO与磷酸铁纳米粒子的复合物光催化降解亚甲基蓝的性能明显高于单独磷酸铁。说明在FePO4催化体系中引入石墨烯能极大的提高FePO4的光催化活性,尤其是在加H2O2的条件下。此外,GO的含量对复合材料的光催化活性也有很大影响,因为过量GO可能会阻碍FePO4对光的吸收,减弱电子的转移,从而降低光催化活性。 4.我们以GO、Pr(NO3)3·6H2O和Na2HPO4·12H2O为原料,通过一步水热法在石墨烯片上原位合成了磷酸错纳米棒,获得了RGO-PrPO4纳米复合物。利用XRD、TEM、FTIR、荧光光谱(PL)、Raman光谱、Uv-vis光谱、瞬态光电流测试等对所得复合物进行了表征。结果显示PrPO4纳米棒均匀的分散在石墨烯片上,并且我们首次发现稀土磷酸盐在模拟太阳光照射下具有光催化活性,而且石墨烯与PrPO4纳米棒的复合物比单独的PrPO4显示出更高的催化降解亚甲基蓝的性能,主要原因是:RGO具有优异的电子传导性,能对电荷进行有效分离。PrPO4价带上的空穴能直接将MB分子氧化,此外,H2O2作为电子捕获剂,能捕获电子从而产生·OH自由基,而·OH自由基具有很强的氧化能力,能将MB分子直接氧化。 5.我们采用简单的水热法合成了磷酸镧纳米棒与石墨烯相结合的复合材料,利用XRD、TEM、FTIR、PL等对所得产物进行了表征,从表征结果中我们发现磷酸镧纳米棒很好的负载在石墨烯片上,几乎没有游离的磷酸镧纳米棒。并且,我们还对单独磷酸镧纳米棒及石墨烯与磷酸镧复合物的荧光性质进行了研究,实验结果表明石墨烯与磷酸镧的复合物的荧光性质比单独磷酸镧的荧光强度要弱。