含羟基聚合物辅助的三维石墨烯结构的搭建、TiO2材料负载及光催化性能研究

Construction of three-dimensional (3D) porous graphene can inhibit the excessive face to face stacking of the graphene sheets; thus, the high specific area of graphene material is maintained. Combined with 3D graphene, TiO2 gives elongated lifetime of separated electron and holes. Additionally, graphene sheets adsorb dyes. Therefore, TiO2 immobilized into the 3D porous graphene structures is expected to provide an enhanced efficiency of photocatalytic degradation of dyes. In this project, we are aimed to propose a new idea of constructing 3D porous graphene structures and immobilizing TiO2 into the 3D structures for photocatalytic degradation. First, hydroxyl-contained polymers are utilized to fabricate the 3D assemblies of graphene based on formation of hydrogen bond cross-linking between the hydroxyl groups of the polymers and the oxygen-contained groups on graphene sheets. The influence of hydrophilic- hydrophobic balance controlled by hydrogen bond, as well as the impact of the chain length of polymers on the pore structure, will be optimized to obtain 3D graphene structures with thin pore walls. Second, various of types of 3D graphene/TiO2 composites will be fabricated through Ti-doping, loading, and building sub-structure, respectively, in order to study the effects of surface defects (epoxyl group, carbonoxyl group) on the morphology of TiO2. Finally, photolytic degradation of dyes will be used to estimate the catalytic performance of the 3D graphene/TiO2 composite structures, and eventually find the relationship between the 3D graphene structures, TiO2 morphology, and the photocatalytic performance.

三维(3D)多孔石墨烯结构的构筑可以阻止石墨烯片层过量的面对面聚集，从而保持材料大比表面积的特性。TiO2与3D石墨烯复合，可增加电子-空穴分离寿命，再加上石墨烯对染料的富集作用，3D石墨烯结构负载的TiO2有望提高染料的光降解效率。根据这一思路，本项目提出构建具有3D多孔石墨烯结构负载多种形貌TiO2的新思路。首先,选用含羟基的聚合物辅助搭建3D石墨烯结构，通过羟基与石墨烯亲水基团形成氢键交联位点，研究氢键交联控制的亲水-疏水机制及聚合物链长对3D石墨烯结构中孔结构的影响,以期得到薄孔壁的3D结构；其次，通过钛离子掺杂、TiO2负载、在3D石墨烯孔壁构筑TiO2次级结构的方法，得到不同类型的光催化复合材料体系，研究钛离子与石墨烯表面缺陷（环氧基团，羧基等）结合方式对TiO2形貌的影响；最后，通过考察复合材料光降解染料的效率，阐述3D石墨烯结构、TiO2形态等性质与光催化活性的相关性。

近年来，石墨烯材料受到广泛关注，成为碳材料领域的一颗新星。三维石墨烯结构因为其特殊的微结构使材料本身具有更高的比表面， 更强大的机械性能，更快速的电子传输动力学，使其应用性能进一步增强。TiO2与3D石墨烯复合，可增加电子-空穴分离寿命，再加上石墨烯对有机染料的富集作用，3D石墨烯负载的TiO2可以大幅度提高染料的光降解效率，3D的块体结构可以用于静态非搅拌体系的光催化降解，降解后易于收集并进一步循环利用，具有实用性。本项目的主要研究思路为：(1)TiO2形貌对复合材料光降解作用的影响；(2) 类石墨烯碳材料与TiO2界面缺陷理论的研究；(3)三维石墨烯TiO2对染料的富集降解及循环利用性能的研究。最终，我们发现TiO2的形貌，与石墨烯或类石墨烯材料之间的接触形式，接触面积，对形成界面缺陷有重要的影响。而界面缺陷的形成对半导体的带隙修饰，中间能级的产生以及价带导带的位移，电子跃迁的寿命等有着决定性的作用，因此，合理设计缺陷界面是提高催化效率的关键之一。本项目的研究成果具有普适性，对其他半导体与石墨烯类碳材料的界面研究，缺陷设计提供了一定的指导作用，在半导体碳材料研究与应用领域具有一定的科学意义。