光磁双功能石墨烯基尖晶石纳米晶体的形成机理及性能调控

The current preparation of graphene based metal oxide nanocrystal composites through methods such as chemical oxidation-exfoliation-reduction is hard to be applied on a large scale due to the great pollution and low productivity of the process. Meanwhile, the excessive defects and oxygen-containing groups introduced by the chemical oxidation affected the electronic structure and the crystal integrity of the composite, which reduced the overall performance and stability of the material. This project aims to prepare at macroscopic scale the optical-magnetic bifunctional graphene based spinel nanocrystals with high efficiency, low pollution and high stability. Solid-phase synthesis at room temperature is to be used using graphene as starting material, which would avoid using strong oxidation reagent and ultrasonic exfoliation. Visible-light photocatalytic properties of the as-prepared novel magnetically separable graphene based spinel nanocrystal hybrid materials are to be explored. The growth process and mechanism of the spinel nanocrystals on slightly oxidized graphene surface are to be studied to explore the mechanism and macrokinetics parameters of the photocatalytic reaction and realize the effective control of microstructure and photocatalytic properties of the spinel nanocrystals. The facile magnetic separation would be utilized to solve the bottleneck problem of difficult separation and recovery of catalysts in engineering applications. This project will provide new idea for the large scale production of optical-magnetic bifunctional composite material and the expansion of industrial engineering application of nanocrystal materials in photocatalytic degradation of organic contaminants.

目前通过化学氧化-剥离-还原等方法制备的石墨烯金属氧化物纳米晶复合材料，制备过程污染大、效率低，而且化学氧化引入的过量缺陷和含氧官能团严重破坏了石墨烯的电子结构及晶体完整性，从而影响了复合材料的整体性能和稳定性，很难实现规模应用。本项目面向高效率、低污染、高稳定性的光磁双功能石墨烯基尖晶石纳米晶体的设计与制备，以石墨为原料，采用室温固相合成技术，避免使用强化学氧化剂和超声剥离方法，设计制备新型可磁分离的石墨烯尖晶石纳米晶体杂化材料并研究其光催化性能。通过研究尖晶石纳米晶体在微氧化石墨烯表面的形成过程和生长机理，探索光催化反应机制以及宏观动力学参数，实现对尖晶石晶体微观结构和催化性能的有效调控，并通过便捷的磁分离方法解决工程应用中催化剂难回收再利用的瓶颈问题。为光磁双功能复合材料的规模制备，拓展新型纳米晶体材料在光催化处理污染物及其在工业工程中的应用提供新的思路。

本项目面向高效率、低污染、高稳定性的可磁分离石墨烯金属化合物可见光催化剂的设计、宏观量制备和催化体系的构建，采用室温固相合成技术，设计制备了一系列以石墨烯为载体，与尖晶石（CoFe2O4、NiFe2O4等）、金属原子（Ag）、氮化碳（Fe3+/CN）、硫化物（Fe2O3/CdS）等复合的新型石墨烯基纳米杂化材料。研究了在机械力作用下纳米粒子在石墨烯表面的化学效应、作用机理以及复合材料结构与性能的关系。结果表明，利用球磨强剪切力作用，不需要额外添加溶剂和化学还原剂，可以同步完成氧化石墨的剥离、还原和纳米粒子的锚接，无机纳米颗粒均匀地附着到石墨烯表面，避免了超声、热处理等步骤及水合肼等昂贵还原剂的使用。. 项目评估了可见光下复合材料对阳离子染料MB和RhB、阴离子染料MO、抗生素CIP和双酚A等各种环境污染物的催化降解效率，考察了复合材料制备条件以及降解废水时各反应条件对处理效果的影响，包括加入量、光照强度、光反应时间、混合方式、废水浓度、循环使用次数等，进一步探索了复合材料降解废水的光催化机理及动力学，探索复合材料在可见光激发多相光催化反应器中的催化性能及催化工艺参数。光催化性能测试显示，复合材料具有良好的可见光响应、优异的光催化性能以及出色的循环稳定性和使用寿命周期。石墨烯的引入，有效地改善了复合材料对降解物的吸附性能，扩大了复合材料的光响应范围，进一步促进了电子转移，表现出比单一半导体材料更为优异的可见光催化降解性能和循环稳定性能。以NiFe2O4-RGO为例，在室温下对MB的可见光催化降解可达99%，经简单磁分离后循环反应三次，MB的降解仍然可以达到95%。. 项目实现了对复合材料微观结构和催化性能的有效调控，并通过便捷的磁分离方法解决工程应用中催化剂难回收再利用的问题，为可见光催化材料的大规模制备、拓展石墨烯在光催化处理污染物中的应用提供新的思路。