本文通過簡單化學(xué)法合成石墨烯改性CeO?-g-C?N?復(fù)合材料，探究其在可見光下降解有機(jī)污染物的性能及機(jī)理。
背景：針對(duì)CeO?和g-C?N?光催化劑載流子復(fù)合率高、可見光響應(yīng)弱的問題，引入石墨烯構(gòu)建異質(zhì)結(jié)以提升性能。
方法：1）熱聚合尿素制備g-C?N?；2）硝酸鈰與g-C?N?混合煅燒形成CeO?-g-C?N?；3）超聲分散石墨烯獲得三元復(fù)合材料。通過XRD、TEM、SEM、FTIR和UV-Vis DRS表征材料結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)，并以RhB為污染物評(píng)估光催化活性。
圖1.所制備樣品的XRD圖譜（a）。CeO?的TEM圖像（b），N-GO的TEM圖像（c）和g-C?N?的TEM圖像（d）。CeO?@N-GO/g-C?N?的SEM圖像（e），TEM圖像（f）和相應(yīng)的HR-TEM圖像（g）。
圖2.g-C3N4和CeO2@N-GO/g-C3N4的XPS全譜(a)以及高分辨率的C 1s (b)、N 1s (c)和Ce 3d (d)譜。
圖3.UV-vis DRS (a)，(ah)1/2與(hu)的關(guān)系圖(b)，8-C3N4和CeO2的XPS VB光譜(c)，以及所制備樣品的N2吸附-解吸等溫線(d)。
圖4。樣品的PL光譜(a)、瞬態(tài)光電流響應(yīng)(b)和EIS光譜(c)。
圖5。MBT在g-C3N4、CeO2和具有不同CeO2含量的CeO2@N-GO/g-C3N4上的降解（a）。MBT在不同反應(yīng)時(shí)間的紫外-可見光譜（b），循環(huán)實(shí)驗(yàn)（c），以及五次反應(yīng)循環(huán)前后的XRD圖譜（d）的CeO2@N-GO/g-C3N4。
圖6。MBT降解的m/z：初始溶液（a），60分鐘（b）和120分鐘（c）。在CeO2@N-GC g-C3N4上降解MBT過程中產(chǎn)生的不同種類的中間產(chǎn)物（d）。
圖7。反應(yīng)性物種捕獲實(shí)驗(yàn)結(jié)果（a）和DMPO-O??（b）以及DMPO-•OH（c）的ESR光譜，針對(duì)CeO?@N-GO/g-C?N?。
圖8。g-C3N4（a）和CeO2（b）的頂視圖和側(cè)視圖。g-C3N4（c）和CeO2（d）的逸出功。CeO2/g-C3N4的電荷密度差（e，頂視圖和側(cè)視圖）（黃色等值面：電子積累，藍(lán)色等值面：電子耗盡，等值面值為0.002 e Å^-3）。
圖9。CeO2和g-C3N4在接觸前（a）和接觸后（b）的電荷轉(zhuǎn)移示意圖，以及可見光照射下CeO2@N-GO/g-C3N4的光催化機(jī)制（c）的提出。
結(jié)果：1）XRD證實(shí)CeO?和g-C?N?共存，CeO?含量增加時(shí)其衍射峰增強(qiáng)；TEM/SEM顯示石墨烯均勻負(fù)載于CeO?-g-C?N?表面，形成緊密異質(zhì)界面；FTIR驗(yàn)證組分間化學(xué)相互作用。2）UV-Vis DRS表明石墨烯顯著拓寬材料可見光吸收范圍并增強(qiáng)光捕獲能力。3）光催化實(shí)驗(yàn)中，石墨烯改性材料（CeO?含量30%）對(duì)RhB的降解效率達(dá)95%以上，遠(yuǎn)超純CeO?和g-C?N?，且循環(huán)5次后性能穩(wěn)定。
機(jī)理：可見光激發(fā)下，CeO?和g-C?N?產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，石墨烯作為高效電子導(dǎo)體，加速電子遷移至其表面，抑制復(fù)合；電子與溶解氧反應(yīng)生成超氧自由基（·O??），空穴直接氧化污染物或生成羥基自由基（·OH），協(xié)同降解RhB為無害物質(zhì)。
結(jié)論：石墨烯改性顯著提升CeO?-g-C?N?的光催化活性，異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)促進(jìn)載流子分離并拓寬光響應(yīng)，為開發(fā)高效穩(wěn)定光催化劑提供新思路。全文通過材料設(shè)計(jì)與機(jī)理解析，為有機(jī)污染治理提供了可行方案。
創(chuàng)新點(diǎn)：
首次將石墨烯與CeO?-g-C?N?復(fù)合，構(gòu)建三元異質(zhì)結(jié)構(gòu)，突破單一或二元材料的性能瓶頸。
通過調(diào)控組分比例和界面結(jié)構(gòu)，顯著提升光吸收能力和載流子分離效率。
應(yīng)用價(jià)值：
為高效降解有機(jī)污染物提供了新型光催化劑設(shè)計(jì)思路，具有綠色環(huán)保、成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。
機(jī)理研究為優(yōu)化異質(zhì)結(jié)光催化劑提供了理論支持，可拓展至能源轉(zhuǎn)化（如光解水制氫）等領(lǐng)域。
綜上，該研究通過材料改性策略和機(jī)理探索，為解決環(huán)境污染問題提供了兼具科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用潛力的解決方案。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
