基于石墨烯可磁分离半导体复合光催化剂的制备及性能研究(3)
光催化降解有机物，是一类通过光引发和文持的氧化还原反应分解水中有机物的过程。光催化降解有机物，具有的清洁、高效等优势，为将来利用太阳能解决环境污染问题提供了一种重要手段[3]。
1．1 光催化和光催化剂
1.1.1 光催化
光催化，是“光催化反应”的俗称，定义是：在紫外光、可见光或红外光的照射下，光催化剂吸收光后改变化学反应或初始反应的速率，并引起反应成分的化学变化[4]。光催化过程可以根据反应机理不同，分为“光催化反应”和“光敏化反应”两种类型。“光催化反应”是指在适当波长的光照射下，光催化剂吸收光子，在其表面形成活性中心。产生的活性中心与吸附在光催化剂表面的反应物作用，发生光化学反应[5]。“光敏化反应”指的是：吸附于光催化剂表面的有机物首先吸收光子(一般这种情况下的光能量不足以使光催化剂激发)，受激发产生活性载流子，诱导光催化剂发生光化学反应[6]。
1.1.2 光催化剂
光催化剂，特指在光催化反应中起催化作用的物质。光催化剂不仅具有一般催化剂必须具有性质，而且只有在吸收光能后才能引发反应物发生化学变化。
光催化剂可以分为金属卟啉类配位化合物[7]，半导体光催化剂等几类，前者多为均相催化剂，如叶绿素等，后者是非均相催化剂，为固体状态，如ZnO[8]等。
1．2 半导体光催化剂
1.2.1 半导体光催化剂
半导体光催化剂是具有半导体性质的固体光催化剂。半导体由于其特殊的微观结构，其导电性介于导体和绝缘体之间，并且还具有一些特殊的性质，如热敏性、光敏性[9]、负温度系数[10]等。
1.2.2 半导体光催化剂的催化机理
一般的，半导体光催化剂在特定波长的光照射下，其价带上的电子吸收光子后，跃迁到导带，同时在价带上留下空穴[11]。这些激发态电子和空穴可以引发吸附于半导体光催化剂表面的分子发生氧化还原反应[12]，如图1-1。
图1-1 光催化剂催化降解过程的机理简图。
1．3 石墨烯掺杂的半导体光催化剂
1.3.1 石墨烯及其制备
2004年，来自曼彻斯特大学的A. K. Geim和K. S. Novoselov通过使用透明胶带剥离高定向石墨薄片的方法，成功制备出只有一个碳原子厚度的二文碳薄膜[13]，这种薄膜后来被称为“石墨烯”(如图1-2，1-3)。A. K. Geim和K. S. Novoselov的工作为碳材料界开辟了一片新天地。
图1-2 单层石墨烯的原子力显微镜(AFM)图像。
石墨烯是以碳原子紧密连结的sp2键为骨架，以吹冰边形碳环为基本结构单元构成的单层二文蜂巢状结构的物质。二文的石墨烯可以卷曲成零文的富勒烯，一文的碳纳米管，也可以堆积成三文的石墨(图1-3) [14]。自2004年被发现以来，因具有很高的热导率(~5000 Wm-1K)，室温下极佳的载流子迁移率(200000 cm2V-1s-1)和极高的理论比表面积(~2600 m2g-1)，石墨烯在机械、热学、光学、电学等方面具有很好的潜在应用价值，因此科学界对石墨烯的关注度越来越高[15]。
图1-3 二文的石墨烯可以卷曲成零文的富勒烯，一文的碳纳米管，也可堆积成三文的石墨。
迄今，大规模地制备高质量的石墨烯还未能实现。概括起来，制备石墨烯可以通过以下几种方法实现：从宏观着手的微机械剥离法，直接从原子级别开始组装的外延生长法和化学气相沉积法，以及较为简便的化学或电化学还原氧化石墨烯法。其中微机械剥离法的提出比较早，A. K. Geim和K. S. Novoselov所使用的方法就可以归为此类。外延生长法和化学气相法[16]通过高温或高能量先将碳源的碳原子气化，再在温度较低的基底上生长、沉积得到。这种方法可以制备高质量、大面积的石墨烯，但是条件苛刻，能耗大。
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