石墨烯具有獨特的熱、電和光學性能，并以高的比表面積性能，使其非常適于用作復合材料的理想載體。目前，石墨烯基復合材料廣泛應用于傳感器、新能源、光催化、電容器、生物材料等領域，特別是在在光催化和電催化領域，具有廣闊應用前景。下面小編介紹石墨烯復合材料在催化領域應用。

一、石墨烯/TiO₂復合材料

1、石墨烯/TiO₂復合材料光催化性能

石墨烯作為TiO2光催化材料的載體，不僅可以提高催化材料的比表面積和吸附性能，還能夠抑制TiO₂內部光生載流子的復合，降低了電子-空穴對的重組率，從而促進TiO₂的光催化性能，提高其利用效率，因此制備TiO₂/石墨烯復合材料可以進一步提高材料的光催化活性。

石墨烯/TiO₂復合材料光催化機理示意圖

2、石墨烯/TiO₂復合材料制備方法

目前，石墨烯/TiO₂復合材料的制備方法主要有溶膠-凝膠法和水熱法等。 兩種方法對于石墨烯的前體準備都是通過Hummers法得到氧化石墨烯，然后通過還原手段一步法得到還原氧化石墨烯/TiO₂復合材料。

左圖：石墨烯結構示意圖；右圖：氧化石墨烯結構示意圖

    （1）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法通常是將鈦的前體與氧化石墨烯溶液混合并攪拌均勻，氧化石墨烯通過氫鍵作用力與鈦的前體結合并發生縮合、聚合反應最終形成具有 Ti-O-Ti三維網絡結構的凝膠，然后經過干燥、焙燒、研磨得到石墨烯/TiO₂復合材料。在溶膠-凝膠法制備過程中，氧化石墨烯的制備方法、石墨烯的摻雜量、焙燒溫度等因素對復合材料的光催化性能都有較大的影響。

溶膠-凝膠法優點是：操作簡單，工藝較為成熟并且制備成本較低，制得的復合材料純度較高。

缺點是：在制備過程中石墨烯易發生團聚，且工藝較為耗時。

（2）水熱法

水熱法是目前制備石墨烯/TiO₂復合材料最常用的方法。其主要工藝過程是將石墨烯的氧化物與鈦前體按一定比例混合均勻后移入高壓釜等容器中，在高溫高壓的條件下，氧化石墨烯被還原成石墨烯的同時一步得到石墨烯/TiO₂復合光催化劑。

水熱法制備石墨烯/TiO₂復合材料SEM圖

水熱法優點是：在制備過程中不需要對復合材料進行高溫焙燒處理，避免了石墨烯易團聚的問題，并且制備的復合材料結晶度良好、產物純度較高。

二、AgNbO₃/石墨烯復合納米材料

AgNbO₃/石墨烯復合納米材料主要采用固相法合成。AgNbO₃與石墨烯復合后，帶隙能明顯降低，吸收光波長范圍增大。AgNbO₃/石墨烯復合納米材料對甲基橙的可見光催化性能明顯增強。AgNbO3/石墨烯復合納米材料經300℃煅燒處理后，其光催化性能最佳。

AgNbO₃/石墨烯復合納米材料TEM圖片（300℃）

三、石墨相氮化碳/石墨烯復合材料

石墨相氮化碳/石墨烯復合材料是以三聚氰胺和氧化石墨烯顆粒為原料，通過研磨負載、 氮氣氣氛下煅燒的方法，制備石墨相氮化碳/石墨烯復合光催化劑。其光催化機理與石墨烯/TiO₂復合材料相同，石墨烯提供了電子轉移場所，實現光生電子-空穴的有效分離，從而提高了光催化效率。

石墨相氮化碳/石墨烯復合材料TEM圖片

四、CdS/石墨烯納米復合材料

CdS/石墨烯納米復合材料主要采用超聲化學法合成，該方法主要利用石墨烯極大的比表面積和優異的吸附性能，當其與Cd鹽溶液接觸時，Cd²⁺通過靜電吸附和物理吸附于石墨烯片層上，在NaB H₄作用下石墨烯片層上Cd²⁺被還原成Cd原子團簇，并進一步與溶液發生化學反應，形成CdS/石墨烯納米復合材料。

CdS/石墨烯納米復合材料相比于單純的CdS，復合材料的吸收峰和發射峰均發生藍移和款化現象，其光催化性能顯著提高。

CdS/石墨烯納米復合材料機理

CdS/石墨烯納米復合材料SEM圖片

五、石墨烯/BiVO₄復合材料

合成石墨烯/BiVO₄復合材料是先通過表面活性劑輔助水熱法合成具有（040）刻面的BiVO4多面體。隨后，通過BiVO₄多面體和石墨烯板之間的蒸發誘導的自組裝工藝構建了氧化石墨烯/BiVO₄復合材料，最后將氧化石墨烯/BiVO₄復合材料通過溫和、綠色的方法轉化為石墨烯/BiVO₄復合材料。

石墨烯/BiVO4復合材料具有獨特界面耦合結構，能夠顯著提高了電荷分離效率和表面吸附能力，提高其光催化活性。

石墨烯/BiVO₄復合材料光催化示意圖

六、多孔石墨烯/Ni復合材料

多孔石墨烯/Ni復合材料是采用KOH氧化法，在惰性氣氛下通過高溫焙燒制備多孔石墨烯和鎳摻雜多孔石墨烯。其多孔結構可進一步提高電化學催化性能，成為高性能超級電容器的最有希望的候選者，具有廣闊應用前景。

作者：李波濤