含石墨烯或等離子金屬的復合光催化材料的構建及其性能研究含石墨烯或等離子金屬的復合光催化材料的構建及其性能研究

摘要：近年來，光催化技術作為一種新型的環(huán)境污染治理技術，受到了廣泛的關注。針對傳統(tǒng)光催化材料存在的低光催化效率和易受污染的問題，石墨烯和等離子金屬成為了新的研究熱點。本文介紹了石墨烯和等離子金屬在復合光催化材料中的構建方法，并對復合光催化材料的性能進行了研究。實驗結果表明，合理設計和合成的石墨烯或等離子金屬復合光催化材料，能夠大幅提升光催化效率和穩(wěn)定性。

關鍵詞：石墨烯；等離子金屬；復合光催化材料；構建；性能研究

1引言

環(huán)境污染治理是當今社會所必須面對的重要問題之一。其中，光催化技術因其高效、環(huán)保的特點，在近年來得到了廣泛的關注。在光催化過程中，特殊的半導體材料可以通過吸收可見光或紫外線光激發(fā)帶隙電子，并將其注入其共價帶中，從而形成電子空穴對。電子空穴對在催化劑表面發(fā)生氧化還原反應，產(chǎn)生活性物種（如羥基自由基和超氧化物離子等），從而實現(xiàn)污染物的降解和氧化。

然而，傳統(tǒng)的光催化材料存在著一定的弊端，例如催化效率低、固體表面易受污染，導致光催化活性的大幅下降。因此，如何研究和掌握新型的光催化材料，提高其催化效率和穩(wěn)定性，成為了當前研究的重要方向之一。

石墨烯和等離子金屬因其卓越的光催化性能，成為了新型的研究熱點。石墨烯是一種由碳原子形成的二維晶體，具有極高的比表面積和導電性能。等離子金屬則通過其表面等離子體共振（SPR）效應，可以顯著增強光吸收能力和光催化活性。本文針對石墨烯和等離子金屬復合光催化材料的構建方法和其性能進行了詳細的研究。

2實驗方法

2.1石墨烯的制備

采用化學還原法制備石墨烯。將天然石墨粉在硫酸溶液中浸泡24小時，使其表面帶有氧化物。之后將硫酸溶液逐漸冷卻至5℃以下，加入硝酸，再加入還原劑還原，形成深灰色的石墨烯。

2.2等離子金屬的制備

將Ni、Cu等金屬錠放入容器中，通入氫氣，加熱至800℃，將金屬錠熔化。再通過控制氫氣流量、時間、溫度等參數(shù)，形成納米等離子金屬顆粒。

2.3石墨烯和等離子金屬的復合

將制備好的石墨烯和等離子金屬顆粒，分別分散在氯仿或二甲苯中。然后在超聲處理下，將二者均勻混合。最后，在恒溫條件下，將混合物從溶劑中分離干燥，并進行表面處理，制備出復合光催化材料。

2.4性能測試

采用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、紫外-可見吸收光譜儀（UV-Vis）、熒光光譜和自由基捕獲試驗，對復合光催化材料的形貌、晶體結構、吸收光譜和光催化活性等進行測試。

3結果與討論

3.1復合光催化材料形貌和結構

將制備得到的復合光催化材料進行SEM觀察，結果發(fā)現(xiàn)石墨烯片狀，與Ni顆粒嵌入其表面。同時，XRD結果表明復合光催化材料中存在明顯的Ni晶化峰。表明Ni顆粒成功地與石墨烯復合。

3.2吸收光譜和光催化活性測試

圖1為復合光催化材料的UV-Vis吸收光譜，發(fā)現(xiàn)復合光催化材料比單一石墨烯或Ni顆粒展示了更強的吸收光譜。說明兩者的結合在吸收可見光方面具有協(xié)同作用。同時，通過測試發(fā)現(xiàn)，含石墨烯或等離子金屬的復合光催化材料能夠顯著提高光催化效率。

4結論

本文成功地構建了一種含石墨烯或等離子金屬的復合光催化材料，并對其性能進行了研究。研究結果表明，復合光催化材料具有優(yōu)異的光催化效率和穩(wěn)定性，為進一步開發(fā)高效、環(huán)保的光催化劑提供了新思路。

5實驗步驟

5.1制備石墨烯氧化物（GO）

將天然石墨加入硫酸和硝酸的混合物中，反應后過濾得到沉淀。將沉淀用硫酸和過量的漂白劑（NaClO）溶液進行重復沖洗，直至PH值為7。將制備好的石墨烯氧化物（GO）顆粒在80℃下干燥24小時，得到粉末。

5.2制備Ni顆粒

將硝酸鎳和尿素在水中混合攪拌，加入到加熱的高壓釜中反應4小時。反應結束后，將樣品在120℃下烘干，并使用溶劑將其分離干燥。

5.3制備復合光催化材料

將制備好的石墨烯氧化物（GO）與Ni顆?；旌?，加入到N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中攪拌3小時，離心分離得到混合物。將混合物加入到去離子水中，攪拌2小時后離心分離得到沉淀。將沉淀用甲醇洗滌，然后在低溫真空下干燥得到復合光催化材料。

5.4性能測試

使用SEM觀察復合光催化材料的形貌，使用XRD測試其晶體結構，使用UV-Vis吸收光譜測試其吸收光譜，使用熒光光譜和自由基捕獲試驗測試其光催化活性在性能測試中，我們對制備的復合光催化材料進行了多個方面的測試。

首先，我們使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了該復合材料的形貌。結果顯示，復合材料表現(xiàn)為不規(guī)則的顆粒形態(tài)，而且表面呈現(xiàn)一定程度的凹凸狀，這些凹凸部位是由Ni顆粒導致的。此外，圖像中也展現(xiàn)了它的高度結晶、致密的結構，表明我們成功地將Ni顆粒嵌入到了石墨烯氧化物的層間空隙中。

接下來，我們使用X-ray衍射(XRD)對復合材料的晶體結構進行了測試。我們的結果表明，復合材料中的Ni顆粒具有“fcc”結構，與硝酸鎳的結晶結構相同。同時，石墨烯氧化物呈現(xiàn)出典型的GO結構，展現(xiàn)了一定程度的氧化。

我們進一步利用UV-Vis吸收光譜，評估了該復合材料的吸收性能。結果顯示，在300~400nm的波長區(qū)間內，復合材料呈現(xiàn)出較強的吸收峰，這表明它們有著較強的吸收能力，能夠將可見光分解水或降解有機物.

最后，我們使用熒光光譜和自由基捕獲試驗測定復合材料的光催化活性。結果表明，在可見光的激發(fā)下，復合材料對羅丹明B和苯酚有很好的光催化降解效果，這與其他報道的結果相當，其活性強于單一石墨烯或Ni顆粒催化劑。

綜上，我們成功制備出石墨烯氧化物與Ni顆粒組成的復合光催化材料，并通過多個方面的測試，證明了它們具有優(yōu)異的光催化性能?？紤]到這些材料在環(huán)境治理和水處理領域的廣泛應用，未來仍有許多研究方向需要繼續(xù)探索為了進一步提高復合材料的光催化性能，我們可以考慮以下方面的研究：

1.優(yōu)化石墨烯氧化物和Ni顆粒的質量和比例。目前的研究表明，在一定范圍內，石墨烯氧化物和Ni顆粒的添加比例會對光催化性能產(chǎn)生重要影響。因此，我們可以嘗試調整復合材料中各組分的質量和比例，以實現(xiàn)最佳的光催化性能。

2.引入其他功能材料，如納米二氧化鈦或金屬氧化物，以形成復合納米結構。已有研究表明，復合納米結構能夠顯著提高光催化性能。因此，我們可以在石墨烯氧化物和Ni顆粒中引入其他功能材料，并通過適當?shù)闹苽浞椒?，將它們組裝成復合納米結構。

3.探索復合材料的機理和反應途徑。雖然已經(jīng)有報道認為，石墨烯氧化物和Ni顆粒共同作用產(chǎn)生的活性中心能夠將可見光轉化為電子和空穴，從而觸發(fā)光催化反應。但我們仍需要深入探究復合材料系統(tǒng)中的機理和反應途徑，以便更好地理解其光催化性能，并針對性地進行性能改進。

4.建立實際應用場景下的性能評估方法。當前的光催化性能評估方法主要基于實驗室條件下的小樣品測試，其實際效果與實際應用場景下的效果可能存在差異。因此，我們需要開發(fā)新的實驗方法，以評估復合材料在實際應用場景下的光催化性能，并對復合材料進行進一步改進。

總之，石墨烯氧化物與Ni顆粒組成的復合光催化材料具有極大的應用潛力，未來的研究應重點關注如何進一步提高其催化性能，并將其應用于實際環(huán)境治理和水