随着社会进步和生活水平不断提高，环境污染和能源短缺成为可持续发展的巨大障碍。破解这些障碍的解决方法包括光催化降解有机污染物和光催化裂解水制氢（将太阳能转化为化学能）的绿色环保能源再生方法。因此，探索和开发能同时实现上述两种功能，性能优异、物理化学性质稳定、制备工艺简单、绿色环保、成本低廉的光催化材料是材料科学家不懈努力的方向。

经过近五十年的发展，光催化材料的发展日新月异。但其基本架构是贵金属负载在纳米半导体颗粒的纳米复合材料，如金属铂修饰的硫化镉纳米复合材料是性能优异的光催化材料代表。然而，这类材料含有贵金属和硫化物，有可能对环境带来新的问题。所以，发展无金属的高 效催化剂成为该领域的研究热点。石墨烯因为其出色的导电性和透明性等优异性能而被选取替代贵金属作为高效助催化剂材料。而发现和制备不含任何金属的石墨烯 /半导体纳米复合高效光催化材料更是业界的期盼。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）先进材料与结构分析实验室 A02组（功能晶体研究与应用中心）的博士生芦伟和朱开兴在研究员郭丽伟和陈小龙的指导下，发展了基于SiC粉末制备石墨烯/SiC核壳异质结材料 （GCSP）的方法（见图1）。通过在真空条件下对微米尺寸的6H-SiC粉末进行高温退火处理，就可在SiC颗粒表面原位生长出完全包覆SiC颗粒的高 质量石墨烯（如示意图1g）。通过控制生长工艺条件，就可有效调控石墨烯的层数（如图1h）。

相继在2012年将制备的石墨烯/SiC异质结颗粒复合材料进行了降解有机污染物的研究，在2014年进行了光催化裂解水产氢的实验研究。研究发现包覆在SiC颗粒表面的石墨烯层数为4-9层时，该颗粒展示出最好的降解有机物能力和劈裂水产氢效率。0.5μm粒径的石墨烯/SiC复合颗粒降解有机物的效果比同样尺寸的原始SiC颗粒的效果提高7倍；而5 μm粒径复合颗粒的产氢效率达到472μmolg-1h-1，可与一些性能优异的纳米尺寸催化剂的产氢效果 相比拟。突出的降解有机污染物和劈裂水产氢效率主要源于石墨烯与SiC形成的异质结颗粒具有双极的载流子转移通道。形成该双极通道的主要机制源于在同一个 SiC颗粒表面的不同区域所生长石墨烯的费米能级不同，导致SiC与石墨烯的交界处形成不同的能带弯曲（如图2所示），从而导致两种光生载流子的高效分离 和转移，促进了氧化还原（降解、产氢）反应的进行。这种双极载流子转移通道使该复合颗粒在即使没有牺牲剂的情况下也能在紫外光的辐照下产氢。

相关的研究不仅为基于石墨烯的光催化研究提供了一种新思路，还开发出一种极具潜力的绿色、环保、稳定、低成本、高效的无金属光催化剂体系。该工作近期发表在Adv. Mater.上。

图1. (a-c) 5 μm和 (d-f) 0.5 μm粒径的原始SiC、GCSP-L（石墨烯1-3层）和GCSP-M（石墨烯4-9层）粉末的SEM形貌；(g)为原始SiC颗粒向GCSP衍化的示意 图；(h) 包覆两种不同层数石墨烯/SiC颗粒的Raman谱。

图2. 石墨烯自掺杂导致形成石墨烯/SiC异质结双极载流子转移通道的能带结构示意图。

上述研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部“973”项目和中国科学院的资助。

参考文献：

1. Appl. Phys. Lett. 100, 023113 (2012)
2. RSC Adv., 4, 46771 (2014)
3. Adv. Mat. http://dx.doi.org/10.1002/adma.201503606

相关文章链接：

下载附件>> Lu_et_al-Advanced_Materials.pdf
下载附件>> 芦伟-RSC Adv 4-46771-46779 (2014).pdf
下载附件>> 朱开兴-ApplPhysLett_100_023113.pdf

中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，先进材料与结构分析实验室主任

Email：xlchen@iphy.ac.cn

个人主页：http://www.iop.cas.cn/rcjy/zgjgwry/?id=469

主要研究方向：新光电材料结构、物性及其应用

个人简介：

男，1964年5月生，现任中国科学院物理研究所研究员、博士生导师，先进材料与结构分析实验室主任。1991年博士毕业于中国科学院物理研究所，德国海 德堡（Heidelberg）大学和拜罗伊特（Bayreuth）大学洪堡学者，1999年国家杰出青年科学基金获得者，2003年入选中科院“百人计 划”，“新世纪百千万人才工程”国家级人选（2009年），享受国务院政府特殊津贴，2012年入选“科技北京百名领军人才”培养计划，国家创新人才推进 计划重点领域创新团队（光电材料新效应和器件）负责人（2014年），中国晶体学会常务理事，中国物理学会x射线衍射专业委员会主任，国际衍射数据中心 （ICDD）技术委员会中国区主席，Powder Diffraction期刊编辑，物理杂志编委，国家基金委第十一、十二、十四届工程与材料科学部专家评审组成员。获中科院“朱李月华”优秀教师奖。

过去的主要工作及获得的成果:
长期开展无机功能材料（包括铁基超导体、硼酸盐、宽禁带半导体等）的合成、结构、物性和晶体生长研 究，在利用多晶衍射从头计算发现新材料、碳化硅晶体生长和已知材料新效应研究方面取得了系列成果，先后主持国家重大基础科学研究计划项目（首席科学家）、 科技部科技支撑计划项目、科技部863重点项目、国家基金委重大研究计划集成项目和北京市科委重点项目等。发表学术论文300余篇，他引4700余次，单 篇最高被引用537次；授权发明专利36项，制定国标2项。

目前的研究课题及展望:
目前主持国家自然科学基金委、科技部和中国科学院项目多项。 1.宽带隙半导体碳化硅等晶体生长及其新效应； 2.新光电材料的探索、结构、物性和晶体生长； 3.高质量石墨烯（Graphene）的制备、物性和器件。

中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，Email：lwguo@iphy.ac.cn

个人主页：http://www.iop.cas.cn/rcjy/zgjgwry/?id=313

主要研究方向：新一代光电功能材料的生长、结构和物性研究。

个人简介：

女，1962年3月生，分别于1984年和1987年在辽宁大学物理系获理学学士和理学硕士，于1996年在中国科学院物理研究所获理学博士。曾在香港科技大学和日本东北大学金属材料研究所进行访问研究。现任中国科学院物理研究所研究员、博士生导师。兼任半导体学报编委。

过去的主要工作及获得的成果:
（1） 采用分子束外延（MBE）技术制备SiGe基、GaAs基、InGaP基量子结构，并对其电、光等性能进行研究；

（2） 采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术外延GaN基材料和相关器件结构材料，研究其输运和光学特性；

（3） 作为研究骨干和课题负责人先后承担了国家攀登计划、光子集成重大课题、973基础研究计划和科学院创新工程重要方向项目、特殊973项目子课题和国家自然 科学基金等项目。

（4） 在国内外重要学术刊物上发表论文70余篇，授权发明专利6项。

目前的研究课题及展望:
目前正在承担中科院知识创新工程重要方向项目（关于石墨烯的制备、性能和器件研究）和碳化硅晶体生长、加工 技术研究的合作项目。 目前的研究方向：

（1） 石墨烯的制备、本征物理特性研究和相关器件应用的探索；

（2） 宽带隙半导体GaN、AlN和SiC晶体材料的生长和相关物性研究。

（本文整理自中科院物理研究所网站http://www.iphy.ac.cn）

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