隨著社會進(jìn)步和生活水平不斷提高，環(huán)境污染和能源短缺成為可持續(xù)發(fā)展的巨大障礙。破解這些障礙的解決方法包括光催化降解有機污染物和光催化裂解水制氫(將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能)的綠色環(huán)保能源再生方法。因此，探索和開發(fā)能同時實現(xiàn)上述兩種功能，性能優(yōu)異、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、制備工藝簡單、綠色環(huán)保、成本低廉的光催化材料是材料科學(xué)家不懈努力的方向。經(jīng)過近五十年的發(fā)展，光催化材料的發(fā)展日新月異。但其基本架構(gòu)是貴金屬負(fù)載在納米半導(dǎo)體顆粒的納米復(fù)合材料，如金屬鉑修飾的硫化鎘納米復(fù)合材料是性能優(yōu)異的光催化材料代表。

　　然而，這類材料含有貴金屬和硫化物，有可能對環(huán)境帶來新的問題。所以，發(fā)展無金屬的高效催化劑成為該領(lǐng)域的研究熱點。石墨烯因為其出色的導(dǎo)電性和透明性等優(yōu)異性能而被選取替代貴金屬作為高效助催化劑材料。而發(fā)現(xiàn)和制備不含任何金屬的石墨烯/半導(dǎo)體納米復(fù)合高效光催化材料更是業(yè)界的期盼。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室A02組(功能晶體研究與應(yīng)用中心)的博士生蘆偉和朱開興在研究員郭麗偉和陳小龍的指導(dǎo)下，發(fā)展了基于SiC粉末制備石墨烯/SiC核殼異質(zhì)結(jié)材料(GCSP)的方法(見圖1)。通過在真空條件下對微米尺寸的6H-SiC粉末進(jìn)行高溫退火處理，就可在SiC顆粒表面原位生長出完全包覆SiC顆粒的高質(zhì)量石墨烯(如示意圖1g)。通過控制生長工藝條件，就可有效調(diào)控石墨烯的層數(shù)(如圖1h)。相繼在2012年將制備的石墨烯/SiC異質(zhì)結(jié)顆粒復(fù)合材料進(jìn)行了降解有機污染物的研究，在2014年進(jìn)行了光催化裂解水產(chǎn)氫的實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)包覆在SiC顆粒表面的石墨烯層數(shù)為4-9層時，該顆粒展示出最好的降解有機物能力和劈裂水產(chǎn)氫效率。0.5μm粒徑的石墨烯/SiC復(fù)合顆粒降解有機物的效果比同樣尺寸的原始SiC顆粒的效果提高7倍;而5 μm粒徑復(fù)合顆粒的產(chǎn)氫效率達(dá)到472μmolg-1h-1，可與一些性能優(yōu)異的納米尺寸催化劑的產(chǎn)氫效果相比擬。突出的降解有機污染物和劈裂水產(chǎn)氫效率主要源于石墨烯與SiC形成的異質(zhì)結(jié)顆粒具有雙極的載流子轉(zhuǎn)移通道。形成該雙極通道的主要機制源于在同一個SiC顆粒表面的不同區(qū)域所生長石墨烯的費米能級不同，導(dǎo)致SiC與石墨烯的交界處形成不同的能帶彎曲(如圖2所示)，從而導(dǎo)致兩種光生載流子的高效分離和轉(zhuǎn)移，促進(jìn)了氧化還原(降解、產(chǎn)氫)反應(yīng)的進(jìn)行。這種雙極載流子轉(zhuǎn)移通道使該復(fù)合顆粒在即使沒有犧牲劑的情況下也能在紫外光的輻照下產(chǎn)氫。相關(guān)的研究不僅為基于石墨烯的光催化研究提供了一種新思路，還開發(fā)出一種極具潛力的綠色、環(huán)保、穩(wěn)定、低成本、高效的無金屬光催化劑體系。該工作近期發(fā)表在Adv. Mater.上。

　　上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部“973”項目和中國科學(xué)院的資助。

　　圖1. (a-c) 5 μm和 (d-f) 0.5 μm粒徑的原始SiC、GCSP-L(石墨烯1-3層)和GCSP-M(石墨烯4-9層)粉末的SEM形貌;(g)為原始SiC顆粒向GCSP衍化的示意圖;(h) 包覆兩種不同層數(shù)石墨烯/SiC顆粒的Raman譜。

　　圖2. 石墨烯自摻雜導(dǎo)致形成石墨烯/SiC異質(zhì)結(jié)雙極載流子轉(zhuǎn)移通道的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。