【催化】石墨烯基复合光催化材料的研究进展

石墨烯自2004年报道以来，因其独特的二维平面结构、光学和电学性质，立即成为各个领域的国际前沿热点，也为新型光催化材料的发展提供了新的契机和生长点。到目前为止，关于石墨烯基光催化材料主题的论文数量已超千篇。然而，对于如何更好地利用石墨烯的物理化学特性、设计合成高效的石墨烯基复合光催化材料，并推进该类材料在太阳能转化中的实际应用等关键科学问题仍缺乏系统深入的研究，并不能与该领域论文数量的指数增长相匹配。

福州大学徐艺军课题组近年来致力于探究如何充分发挥石墨烯在复合光催化材料中的结构与电子特性，2010年通过对石墨烯与其他碳的同素异形体在提高半导体光催化性能的本质异同方面的比较研究，呼吁研究学者理性看待石墨烯这一具有前景的材料(ACS Nano 2010, 4, 7303-7314)。此后，通过优化制备方法充分利用氧化石墨烯的结构导向作用(ACS Nano, 2011, 5, 7426-7435)，减少石墨烯的表面缺陷发挥其导电优势(Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 9167-9175)，优化石墨烯与半导体界面组成及电荷转移传输路径(ACS Nano 2014, 8, 623-633)，调控石墨烯前驱体的尺寸、表面性质和形貌(Nanoscale, 2015, 7, 18062-18070; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 27948-27958)等策略来提高石墨烯基复合光催化材料的性能。此外，徐艺军课题组还通过实验证明了石墨烯具有大分子光敏剂的新作用(ACS Nano 2012, 6, 9777-9789)，并提出了研究该作用的基本原则(J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 21724-21734)。2014年徐艺军课题组受邀撰写了以石墨烯-半导体复合材料在人工光合成领域的应用为主题的Critical Review (Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 8240-8254)。

最近，徐艺军教授应邀撰写的综述论文“Waltzing with the Versatile Platform of Graphene to Synthesize Composite Photocatalysts”在2015年第18期《Chemical Reviews》上发表(Chem. Rev. 2015, 115, 10307-10377)。该综述论文结合徐艺军研究小组过去几年在石墨烯基复合光催化材料方向上的工作积累，系统地总结了近年来石墨烯基复合光催化材料研究中的基本问题，包括“石墨烯”这一术语的规范使用，不同类型石墨烯的区分、相应的合成方法及其优缺点，石墨烯基复合光催化材料的制备与分类，石墨烯在复合光催化材料中的作用，提高石墨烯基复合材料光催化性能的关键因素，以及石墨烯复合材料的光催化应用等。此外，对石墨烯基复合光催化材料的载流子动力学研究，石墨烯的光稳定性，石墨烯基与其它碳材料基复合光催化材料的比较，石墨烯基复合光催化材料在实际应用中可能的发展趋势与策略等关键科学问题进行了深入的总结和讨论。

最后，论文对该领域所面临的科学机遇与挑战进行了展望，指出（1）应从系统工程化材料设计的理念出发，优化合成石墨烯基复合光催化材料，尤其是对不同组分界面处的微观设计与优化；（2）对于整个石墨烯基复合材料光催化体系而言，还应综合考虑光催化反应器的设计，并将二者有机地结合起来，促进该类光催化材料的实际应用。该综述论文全面客观地呈现了石墨烯基复合光催化材料的研究现状，对于该领域的研究学者具有重要的参考价值。