物理所在石墨烯碳化硅顆粒核殼異質(zhì)結(jié)研究中取得進(jìn)展

　　隨著社會(huì)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(jī)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(shí)實(shí)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(diǎn)。石墨烯因?yàn)槠涑錾膶?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(shí)驗(yàn)室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)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(jī)污染物的研究，在2014年進(jìn)行了光催化裂解水產(chǎn)氫的實(shí)驗(yàn)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(shí)，該顆粒展示出最好的降解有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)制源于在同一個(gè)SiC顆粒表面的不同區(qū)域所生長石墨烯的費(fèi)米能級(jí)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(xiàng)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。