随着社会进步和生活水平不断提高，环境污染和能源短缺成为可持续发展的巨大障碍。破解这些障碍的解决方法包括光催化降解有机污染物和光催化裂解水制氢(将太阳能转化为化学能)的绿色环保能源再生方法。因此，探索和开发能同时实现上述两种功能，性能优异、物理化学性质稳定、制备工艺简单、绿色环保、成本低廉的光催化材料是材料科学家不懈努力的方向。经过近五十年的发展，光催化材料的发展日新月异。但其基本架构是贵金属负载在纳米半导体颗粒的纳米复合材料，如金属铂修饰的硫化镉纳米复合材料是性能优异的光催化材料代表。然而，这类材料含有贵金属和硫化物，有可能对环境带来新的问题。所以，发展无金属的高效催化剂成为该领域的研究热点。石墨烯因为其出色的导电性和透明性等优异性能而被选取替代贵金属作为高效助催化剂材料。而发现和制备不含任何金属的石墨烯/半导体纳米复合高效光催化材料更是业界的期盼。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)先进材料与结构分析实验室A02组(功能晶体研究与应用中心)的博士生芦伟和朱开兴在研究员郭丽伟和陈小龙的指导下，发展了基于SiC粉末制备石墨烯/SiC核壳异质结材料(GCSP)的方法(见图1)。通过在真空条件下对微米尺寸的6H-SiC粉末进行高温退火处理，就可在SiC颗粒表面原位生长出完全包覆SiC颗粒的高质量石墨烯(如示意图1g)。通过控制生长工艺条件，就可有效调控石墨烯的层数(如图1h)。相继在2012年将制备的石墨烯/SiC异质结颗粒复合材料进行了降解有机污染物的研究，在2014年进行了光催化裂解水产氢的实验研究。研究发现包覆在SiC颗粒表面的石墨烯层数为4-9层时，该颗粒展示出最好的降解有机物能力和劈裂水产氢效率。0.5μm粒径的石墨烯/SiC复合颗粒降解有机物的效果比同样尺寸的原始SiC颗粒的效果提高7倍;而5 μm粒径复合颗粒的产氢效率达到472μmolg-1h-1，可与一些性能优异的纳米尺寸催化剂的产氢效果相比拟。突出的降解有机污染物和劈裂水产氢效率主要源于石墨烯与SiC形成的异质结颗粒具有双极的载流子转移通道。形成该双极通道的主要机制源于在同一个SiC颗粒表面的不同区域所生长石墨烯的费米能级不同，导致SiC与石墨烯的交界处形成不同的能带弯曲(如图2所示)，从而导致两种光生载流子的高效分离和转移，促进了氧化还原(降解、产氢)反应的进行。这种双极载流子转移通道使该复合颗粒在即使没有牺牲剂的情况下也能在紫外光的辐照下产氢。相关的研究不仅为基于石墨烯的光催化研究提供了一种新思路，还开发出一种极具潜力的绿色、环保、稳定、低成本、高效的无金属光催化剂体系。该工作近期发表在Adv. Mater.上。
上述研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部“973”项目和中国科学院的资助。
图1. (a-c) 5 μm和 (d-f) 0.5 μm粒径的原始SiC、GCSP-L(石墨烯1-3层)和GCSP-M(石墨烯4-9层)粉末的SEM形貌;(g)为原始SiC颗粒向GCSP衍化的示意图;(h) 包覆两种不同层数石墨烯/SiC颗粒的Raman谱。
图2. 石墨烯自掺杂导致形成石墨烯/SiC异质结双极载流子转移通道的能带结构示意图。
