物理所在石墨烯碳化硅顆粒核殼異質結研究中取得進展

2015-12-21
來源：物理研究所

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[導讀] 中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室A02組發展了基于SiC粉末制備石墨烯/SiC核殼異質結材料（GCSP）的方法。通過在真空條件下對微米尺寸的6H-SiC粉末進行高溫退火處理，就可在SiC顆粒表面原位生長出完全包覆SiC顆粒的高質量石墨烯。

中國粉體網訊 隨著社會進步和生活水平不斷提高，環境污染和能源短缺成為可持續發展的巨大障礙。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（將太陽能轉化為化學能）的綠色環保能源再生方法。因此，探索和開發能同時實現上述兩種功能，性能優異、物理化學性質穩定、制備工藝簡單、綠色環保、成本低廉的光催化材料是材料科學家不懈努力的方向。經過近五十年的發展，光催化材料的發展日新月異。但其基本架構是貴金屬負載在納米半導體顆粒的納米復合材料，如金屬鉑修飾的硫化鎘納米復合材料是性能優異的光催化材料代表。然而，這類材料含有貴金屬和硫化物，有可能對環境帶來新的問題。所以，發展無金屬的高效催化劑成為該領域的研究熱點。石墨烯因為其出色的導電性和透明性等優異性能而被選取替代貴金屬作為高效助催化劑材料。而發現和制備不含任何金屬的石墨烯/半導體納米復合高效光催化材料更是業界的期盼。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室A02組（功能晶體研究與應用中心）的博士生蘆偉和朱開興在研究員郭麗偉和陳小龍的指導下，發展了基于SiC粉末制備石墨烯/SiC核殼異質結材料（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顆粒的高質量石墨烯（如示意圖1g）。通過控制生長工藝條件，就可有效調控石墨烯的層數（如圖1h）。相繼在2012年將制備的石墨烯/SiC異質結顆粒復合材料進行了降解有機污染物的研究，在2014年進行了光催化裂解水產氫的實驗研究。研究發現包覆在SiC顆粒表面的石墨烯層數為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氫效率。0.5μm粒徑的石墨烯/SiC復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粒徑復合顆粒的產氫效率達到472μmolg-1h-1，可與一些性能優異的納米尺寸催化劑的產氫效果相比擬。突出的降解有機污染物和劈裂水產氫效率主要源于石墨烯與SiC形成的異質結顆粒具有雙極的載流子轉移通道。形成該雙極通道的主要機制源于在同一個SiC顆粒表面的不同區域所生長石墨烯的費米能級不同，導致SiC與石墨烯的交界處形成不同的能帶彎曲（如圖2所示），從而導致兩種光生載流子的高效分離和轉移，促進了氧化還原（降解、產氫）反應的進行。這種雙極載流子轉移通道使該復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氫。相關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，還開發出一種極具潛力的綠色、環保、穩定、低成本、高效的無金屬光催化劑體系。該工作近期發表在Adv. Mater.上。

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