国内外研究现状和发展动态
石墨烯是具有优异的力学、电学和热学等性能[1]，是纳米催化剂的理想载体之一。石墨烯巨大的比表面积(理论计算值达2630 m2·g-1)有利于纳米材料分散，阻止纳米材料团聚，增大比表面积；石墨烯片含有大量未成对可自由移动电子，具有较大的电子存储能量，能捕获和传导光激发电子，妨碍或阻止催化剂中光激发电子和空穴对的复合以及促进电子-空穴对发生光生作用；石墨烯片上缺陷处碳原子与催化剂发生键合作用，能拓宽光谱响应范围和提高催化活性。因此，石墨烯被广泛地用来提高TiO2纳米材料的光催化性能[2-4]。
近年来，科研工作者通过表面改性、半导体复合、贵金属敏化和催化剂载体复合等手段[5, 6]，已开发出系列高效、可见光响应的石墨烯/氧化钛基光催化材料，大大提高了太阳光能的利用效率，降低由于必须采用紫外照射带来的成本增加和运行风险，有利于石墨烯/氧化钛基光催化材料进入实际应用。然而，现有的高效可见光光催化材料在失去外界光源的能量供应之后将不能产生电子-空穴对，从而无法生成活性基团，其反应活性迅速丧失，也无法继续对环境中的污染物进行处理；另外，现开发的高效石墨烯/氧化钛基光催化材料在污水处理中很难回收，易造成二次污染等问题，大大限制其实际使用，也会增加其使用成本。鉴于这些原因，开发具有储能、可重复利用的石墨烯/氧化钛基光催化材料极为重要。
目前，解决石墨烯/氧化钛基复合催化材料回收难的方法有以下几种：(1) 通过与磁性材料结合获得具有磁性的石墨烯/氧化钛基光催化材料，有利于解决石墨烯/氧化钛基纳米材料的回收问题[7]。(2) 将石墨烯/氧化钛基催化材料做成纳米薄膜，促进了石墨烯/氧化钛基光催化材料在污水处理中的回收[8]。尽管这些方法有一定的成效，但还存在一些问题。例如，制备的磁性光催化材料在污水处理中容易失去磁性，造成水体的二次污染；将纳米材料制成纳米薄膜，大大降低了催化剂与污染物之间的接触，质量传递效率低，从而大大降低了光催化效率。因此，在石墨烯/氧化钛基催化材料复合体系的组装、微观结构设计、复合体系中各组元的构效关系等方面还需要深入的实验和理论研究，还有许多新的性能、新的现象、新的理论需要去发现和建立。
量子点粒径小，比表面积大，拥有很高的催化活性，且由于其粒径小和特殊的电子结构，导致其类似于贵金属纳米颗粒，能起到敏化作用，提高催化剂的光谱响应范围；具有分离电子作用：因为量子点尺寸小，表面缺陷多，容易被捕获光生激子，并将作为受体转移电子，从而使得光生电子-空穴对易于分离；具有上转换作用：量子点将吸收长波长而发出短波长，提高太阳光的利用率和光催化效率。近年来，量子点纳米材料在太阳光电(PV)、光催化剂、光传感器以及其他光电组件的输出量等方面显示出重要的作用，因而引起了世界各国科学工作者的极大兴趣[9]。特别是苏州大学康振辉教授团队制备的碳纳米点-氮化碳(C3N4)纳米复合物可以利用太阳能实现高效的完全分解水，催化活性200天保持不变[10]。
为了获得高效、太阳光利用率高的石墨烯/氧化钛基可见光催化材料，及解决纳米催化剂在污水处理中难回收问题，本项目拟利用氧化钨量子点改性石墨烯/氧化钛基光催化材料，利用氧化钨量子点比表面大、催化活性高，提高石墨烯/氧化钛基光催化材料的光谱响应范围，降低光生电子-空穴对的复合，从而提高光催化效率。在此基础上，本项目将石墨烯/氧化钛基量子点光催化材料设计成多孔薄膜，增加薄膜材料在污水处理中的质量传递效率，提高催化材料的光催化效率，以及解决纳米催化剂在污水处理中难回收等瓶颈问题，从而推动石墨烯/氧化钛基光催化材料在污水处理和环境保护等领域的应用。
参考文献
[1] 朱宏伟. 石墨烯:结构、制备方法与性能表征. 北京: 清华大学出版社, 2011.
[2] Sha J., Zhao N., Liu E., et al. In situ synthesis of ultrathin 2-D TiO2 with high energy facets on graphene oxide for enhancing photocatalytic activity[J]. Carbon, 2014, 68: 352-359.
[3] Kim H.I., Kim S., Kang J.K., et al. Graphene oxide embedded into TiO2 nanofiber: Effective hybrid photocatalyst for solar conversion[J]. Journal of catalysis, 2014, 309: 49-57.
[4] Gao P., Li A., Sun D.D., et al. Effects of various TiO2 nanostructures and graphene oxide on photocatalytic activity of TiO2[J]. Journal of hazardous materials, 2014, 279: 96-104.
[5] Tan L.L., Ong W.J., Chai S.P., et al. Noble metal modified reduced graphene oxide/TiO2 ternary nanostructures for efficient visible-light-driven photoreduction of carbon dioxide into methane[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 166-167: 251-259..
[6] Yuan W., Li J., Wang L., et al. Nanocomposite of N-doped TiO2 nanorods and graphene as an effective electrocatalyst for the oxygen reduction reaction[J]. ACS applied materials & interfaces, 2014, 6(24): 21978-21985.
[7] Yang X., Chen W., Huang J., et al. Rapid degradation of methylene blue in a novel heterogeneous Fe3O4@rGO@TiO2-catalyzed photo-Fenton system[J]. Scientific reports, 2015, 5: 10632.
[8] Gao Y., Hu M., Mi B. Membrane surface modification with TiO2–graphene oxide for enhanced photocatalytic performance[J]. Journal of membrane science, 2014, 455: 349-356.
[9] Michelle D. Regulacio and Ming-Yong Han. Multinary I-III-VI2 and I2-II-IV-VI4 Semiconductor Nanostructures for Photocatalytic Applications. Acc. Chem. Res., 2016, 49 (3): 511–519.
[10] Liu J, Liu Y, Liu N, Han Y, Zhang X, Huang H, Lifshitz Y, Lee ST, Zhong J, Kang Z. Metal-Free Efficient Photocatalyst for Stable Visible Water Splitting via a Two-Electron Pathway[J]. Science, 2015, 347: 970-974.
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