三维石墨烯基材料应用在催化反应中的研究进展

近年来，石墨烯基材料因其高导电性、较大的比表面积、优异的导热性和突出的机械性能，因此在催化领域有着良好的应用前景。然而，由于石墨烯片层之间存在的强吸引力，导致石墨烯在催化反应过程中极易团聚从而失去了原有高比表面积等特性，因此降低了催化性能。从纳米尺度上构造具有三维蜂窝状骨架结构的石墨烯基材料，可以有效地抑制石墨烯片层团聚，从而保证了催化反应的高效进行。

近年来，华东理工大学张金龙教授（点击查看介绍）和邢明阳副教授（点击查看介绍）在三维石墨烯基复合材料的制备及其在能源与环境领域的应用研究方面取得了一系列的研究进展。比如，他们采用葡萄糖等多羟基化合物为连接剂，成功制备了TiO₂高分散负载三维石墨烯气溶胶（J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 5852 [ESI高被引论文，0.1%热点论文]）。该石墨烯气溶胶具有大孔-介孔多级孔道结构，以及超轻的密度，其特殊的结构非常有利于电子的传输和锂离子的穿插与储存，使其在光催化领域和锂离子电池领域表现出很大的应用前景。接着，他们又采用类“Stöber”法，实现了不同铁氧化物纳米颗粒在三维石墨烯表面的原位生长，原位负载生成强电子耦合作用的Fe-O-C共价键，促进了光生电子的迁移，提高了其在中性条件下芬顿催化反应降解苯酚、甲基橙、罗丹明B等有机污染物分子的矿化率（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 12820; Sci. Rep., 2015, 5, 8591 [ESI高被引论文]；Appl. Catal. B, 2016, 183, 216 [ESI高被引论文]; Appl. Catal. B, 2018, 222, 146）。

近日，该研究团队在英国皇家化学学会的旗舰综述期刊Chemical Society Reviews (IF=38.618) 上发表综述文章，对三维石墨烯基材料在催化领域的应用研究做了全面分析总结，并展望了这类材料的未来发展趋势。

该综述首先对构建三维石墨烯基材料的方法进行了总结，阐述了基于模板法合成和无模板法合成的策略。接着，作者介绍了三维石墨烯基材料的表征手段，独特性质以及理论模型，加深了对三维石墨烯基材料在催化反应中的理解。随后作者阐述了三维石墨烯在光催化、电催化和有机催化反应中的应用，着重讨论了如何通过引入活性组分，表面官能团化以及杂原子掺杂等调控手段去提高三维石墨烯材料的催化活性。最后，作者总结了三维石墨烯基材料在催化领域的优势和不足，并对未来研究方向进行了展望。作者认为目前三维石墨烯基材料面临的最大挑战主要有两点：第一是对三维石墨烯材料孔径的精确调控。众所周知，均一的孔结构不仅可以提高催化反应的活性，而且可以产生独特的光学性质。第二是在不增加成本的情况下如何大规模生产少层甚至单层结构石墨烯组装而成的三维石墨烯基材料。气相沉积方法虽然可以合成层数较少的三维石墨烯材料，但是其不仅耗费高而且合成过程中孔径不易调控。

该论文的第一作者是邱博诚博士，通讯作者是邢明阳副教授和张金龙教授。该综述得到了国家重点研发计划“纳米科技”专项青年项目以及国家自然科学基金等项目的支持。

该论文作者为：Bocheng Qiu, Mingyang Xing*, Jinlong Zhang*

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Recent advances in three-dimensional graphene based materials for catalysis applications

Chem. Soc. Rev., 2018, DOI:10.1039/C7CS00904F

作者简介

张金龙，华东理工大学教授，博士生导师，连续四年入选Elsevier公布的（2014-2017年度）中国高被引学者之一。已在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., CHEM, Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy. Environ. Sci., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等国际一流杂志上发表SCI论文360余篇，被引用15000余次， H因子为62。

http://www.x-mol.com/university/faculty/10415

邢明阳，华东理工大学副教授，硕士生导师，2016年国家重大研发计划“纳米科技”专项青年科学家项目获得者。在Chem. Soc. Rev., CHEM, Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Mater. Horiz., J. Photoch. Photobio. C., Small., J. Mater. Chem. A, Appl. Catal. B 等期刊上发表SCI论文60余篇，被引用3271次，H因子为31。

http://www.x-mol.com/university/faculty/38293

邱博诚博士，在2017年获得华东理工大学博士学位，现为香港理工大学应用物理系博士后。以第一或者通讯作者在Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.等期刊上发表SCI论文13篇 （IF大于10的6篇）。