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随着全球人口的快速增长和经济的加快发展,环境污染已成为人类生存的最大威胁。半导体光催化因其在环境净化中的重要应用引起了广泛关注。限制光催化效率的主要因素是光生载流子的快速复合,光生载流子的复合比界面电荷输运快,从而降低了光催化材料的量子效率。因此,提高光催化效率的关键是促进光生载流子的分离和输运。石墨烯作为碳类材料的新星,能够存储和输运电荷,促进光生电子空穴的分离,以及按照需求向吸附物质输运电子。本文将石墨烯引入光催化中,设计并合成了核壳结构的石墨烯复合光催化材料,详细研究了石墨烯在光催化中的作用,包括增加污染物的吸附、拓展光响应范围、促进光生载流子的分离与迁移和改变表面化学反应的过程等。论文主要内容包括: (1)采用两步液相法合成低OH相关晶格缺陷的BiPO4和BiPO4-rGO准核壳结构长方体。与一步水热法合成的BiPO4相比,两步合成法能够避免六方相BiPO4前驱体的形成,从而抑制晶格中OH缺陷的产生。详细研究了石墨烯在光催化中的作用,特别是石墨烯的引入对光催化表面化学反应的影响。石墨烯的引入不仅能够增加污染物的吸附、拓展光响应范围和促进光生载流子的分离与迁移,而且改变了表面化学反应的过程和机制。发现这种改变主要来源于石墨烯与吸附的分子氧O2之间的相互作用。由于电子从石墨烯向吸附的氧分子上转移,石墨烯能够调节电子的界面电荷输运和活化分子氧形成超氧自由基O2·-作为主要氧化物种。合成的BiPO4-rGO的复合光催化剂表现出优于纯BiPO4和P25的光催化性能,分别是BiPO4和P25光催化性能的4.3倍和6.9倍。对石墨烯在光催化中的调节作用提出了崭新的理解,同时也为高活性石墨烯复合光催化材料的合成和设计提供了支持。 (2)采用两步法制备了ZnO@rGO的准核壳结构,然后在紫外光激发下光还原负载Ag颗粒在ZnO@rGO的核壳表面,制备了ZnO-石墨烯-Ag三元不对称结构。与纯的ZnO和ZnO@rGO相比,ZnO@rG-Ag表现出了优异的光催化活性和光电化学性能,其光催化性能是ZnO@rGO的1.9倍和ZnO的4.5倍。此外,ZnO和石墨烯的核壳结构有效抑制ZnO光催化降解过程中的光腐蚀问题,主要来源于石墨烯的保护作用。超高的光催化活性和优异的光电流都表明了石墨烯和金属Ag复合能有效促进半导体光生载流子的分离和输运。有效的界面电荷输运是实现高效光催化的关键。光致发光谱中ZnO的带隙复合峰和缺陷复合峰在复合石墨烯和负载Ag后都逐渐进一步降低,特别是缺陷复合峰基本消失,表明光生电荷的有效分离且抑制了缺陷对光生电荷的捕获。荧光寿命谱表明,ZnO@rGO光生电子向石墨烯的电荷输运速率为6.7×10-7 s-1,而进一步负载Ag后,ZnO光生电子得迁移率进一步提高,约为9.8×10-7 s-1。因此,石墨烯可以和贵金属共同相互作用进一步促进了ZnO激发电子向石墨烯的迁移,从而提高了光催化效率,为光催化材料的设计提供支持。