石墨烯-卤氧化铋-石墨烯夹心结构复合材料的可控制备及其光催化活性增强机制的研究

Bismuth oxyhalide has become the research focus of photocatalysis, due to its appropriate band gap and photocatalytic activity. The recent researches are focused on how to further enhance its photocatalytic activity. In this project, negatively charged graphite oxide will be mixed with positively charged bismuth oxyhalide sols. Both of them couple with each other by electrostatic attraction to form graphene oxide-bismuth oxylide-graphene oxide sandwich structure, which will be chemically reduced and hydrothermally treated to graphene-bismuth oxylide-graphene sandwich structured composites. And the mechanism for photocatalytic activity enhancement will be studied. The creativities are as follows. Compared with reported graphene-bismuth oxylide composites, both of them well disperse in the structure.Bismuth oxyhalide contacts with graphene via upper and lower surfaces,leading to more contacting area and obvious enhancement for photocatalytic activity.Compared with the reported preparation methods, graphene-bismuth oxylide repel respectively. Aggregation will be avoided, favoring mutual attraction and maximal contract to form sandwich structure. In this research, a new kind of graphene-bismuth oxylide composite with obviously enhanced photocatalytic activity will be obtained and the mechanism for photocatalytic activity enhancement will be revealed. The results of this research will provide theoretical bases for design, preparation and mechanism study of photocatalyst, promoting the theoretical and applied study of bismuth oxylide-graphene system.

卤氧化铋因其合适禁带宽度、较高光催化活性，成为光催化的研究热点。目前重点是如何进一步提高其光催化活性。本项目将带负电的氧化石墨烯与带正电的卤氧化铋溶胶混合，两者静电吸引结合形成氧化石墨烯-卤氧化铋溶胶粒子-氧化石墨烯夹心结构，再经过化学还原、水热处理，构建石墨烯-卤氧化铋-石墨烯夹心结构复合材料，并研究其光催化活性增强机制。创新之处在于：与现有卤氧化铋-石墨烯复合结构相比，该结构中两者分散良好，卤氧化铋上、下表面均与石墨烯接触，接触面积增大，光催化活性显著提升；与现有制备方法相比，该制备法中卤氧化铋和石墨烯各自互相排斥不易团聚，有利于两者互相吸引、充分接触形成夹心结构。该项目有望可控制备一类新型石墨烯-卤氧化铋复合结构，其光催化活性显著增强，并揭示其光催化活性增强机制。项目成果将为光催化剂的设计、制备、机理研究提供理论依据，同时有利促进我国卤氧化铋-石墨烯光催化体系的理论及应用研究的发展。

卤氧化铋因其合适禁带宽度、较高光催化活性，成为光催化的研究热点。目前重点是如何进一步提高其光催化活性。因此，本项目1）构建了石墨烯-卤氧化铋-石墨烯夹心结构复合材料。石墨烯的引入和夹心结构的设计使得电子可以分别从材料上表面和下表面传输，因此电荷注入效率提高2.4倍，电荷分离效率提高6倍，进而使光催化活性提升3倍；2）构建了石墨烯水凝胶-卤氧化铋基复合材料。利用石墨烯水凝胶的强吸附与光催化剂的光催化之间的协同作用，有效增强了光催化活性。同时石墨烯水凝胶可使光催化剂固定化，避免了粉体催化剂分离回收困难的问题；3）构建了其它卤氧化铋基复合材料。利用结构调控、异质结、贵金属等离子体共振效应、贵金属良好的电子传输能力等改善了光吸收，提升了电子空穴分离效率，有效增强了光催化活性。此外，高效可见光分解水产氢是解决能源及环境问题的重要方向。因此，本项目的研究体系还进一步拓展到钒酸铋基材料，通过掺杂、引入空穴传输材料等策略，有效地提高了钒酸铋基光阳极光电催化分解水活性，在1.23 V偏压下将光电流提升到了3.0 mA•cm-2以上，是纯钒酸铋的3倍以上。本项目的一些发现回答了光催化剂设计和光催化过程中机理研究的一些科学问题，有重要的理论意义和应用价值，项目成果将为光催化剂的设计、制备、机理研究提供理论依据，对于提高我国光催化的基础研究水平，推动化学化工、环境、材料、能源等学科的发展具有重要意义。通过本项目的实施和支持，作为项目负责人，以通讯作者发表论文 20篇，其中国内外I 区期刊论文共8 篇，TOP 期刊论文共12篇，申请专利2项，培养研究生10余名，4次参加国内学术会议。本项目研究顺利完成。