在众多半导体材料中，TiO₂不仅无毒、廉价、储量丰富、环境良性，而且还具有化学稳定性、光稳定性、氧化还原势能高等特点。因此，TiO₂被认为是最具应用潜力的半导体材料之一并广泛应用于染料降解、光解水、太阳能电池、光电器件以及纳米发电机等领域。然而，作为一种最为有效的光催化材料，TiO₂极高的光生电子-空穴对复合速率大幅度降低了其量子效率与光催化活性。

近年来，随着对一维TiO₂研究的越发深入，研究者发现一维TiO₂不仅涵盖了TiO₂优良的本征特性，其独特的一维结构对光的吸收与散射具有极大的横截面积，且其还能为光生载流子提供一条轴向传输的途径。因此，一维TiO₂在光催化领域引起了广泛的研究热潮，众多合成一维TiO₂的方法也随之涌现。在这些方法之中，利用静电纺丝制备一维TiO₂ 的技术发展最为迅猛，因为静电纺丝技术可以以低成本、极其便捷的方式大规模合成从亚微米到纳米直径的连续状纤维，这是很多制备方法难以匹敌的。但是，虽然利用静电纺丝技术制备的一维TiO₂纤维能加速光生电子的长距离快速输运，但TiO₂突出的本征缺陷（极窄的吸收带宽度）极大程度限制了其对太阳光中可见光波段的利用，基于此，同时提高一维TiO₂纤维的可见光响应以及电子空穴对分离效率十分关键。

一般而言，改善TiO₂纳米纤维可见光光催化性能的方法主要包括：金属或非金属掺杂、表面异质结构的形成、表面敏化、表面贵金属沉积、与碳纳米材料复合等。然而，在众多改性手段中，利用石墨烯/金属纳米颗粒(Graphene/Metal nanoparticles(NPs)复合结构对TiO₂纳米纤维进行改性，是提高其可见光响应与光生电载流子迁移最行之有效的途径之一。其原因如下：1）金属纳米颗粒功函数较TiO₂更高，能产生肖特基势垒并促进电子的捕获；其产生的表面等离子体效应能显著提高TiO₂纳米纤维在可见光区的响应。2）石墨烯的费米能级较TiO₂纳米纤维更低，可以加速光生载流子的调制与迁移；石墨烯可以降低TiO₂带隙能级以调控其能带结构，从而效扩展TiO₂纳米纤维在可见光区的吸收带宽；石墨烯较大的表面积，可以增强TiO₂纳米纤维对有机污染物的吸附。3）Graphene/MetalNPs复合结构兼具了石墨烯与金属纳米颗粒的协同优势。基于此，利用Graphene/Metal NPs对TiO₂纳米纤维进行改性是提高其可见光光催化性能较为理想的方法之一。

然而，Graphene/Metal NPs在TiO₂纳米纤维中的功能化作用的实现与Graphene、MetalNPs在Graphene/MetalNPs中的存在形态极为相关。首先，Graphene做为基底，其活性表面积的大小、微观结构的缺陷程度对MetalNPs在其表面的形核以及Graphene/MetalNPs对电荷的调制与迁移具有显著的影响。其次，MetalNPs粒径以及其在Graphene表面的分散程度，与Graphene/MetalNPs在可见光波段带宽响应长短、载流子迁移速率大小、催化反应化学势能的高低极为相关。因此，如何获得性能优异的Graphene/MetalNPs复合结构成为亟待解决的问题。目前，制备Graphene/MetalNPs的方法较为多元，但主要包括：化学还原法、电化学法，以及溶剂热法等。这些常规合成方法虽然成本低、产量高，但是缺点突出，例如杂质的引入、MetalNPs的团聚以及粒径较大等。其他较为理想的方法如光致还原法、波辅助还原法等虽然环保、能耗低，可以获得较为理想的Graphene/MetalNPs复合结构。但是，在合成过程中，Graphene中的缺陷、边缘和层间通常都是MetalNPs形核的活性位点，而这些活性位点也是光激电子-空穴复合的敏感区域。若将这些缺陷态的Graphene/MetalNPs与TiO₂纳米纤维进行复合，无疑会大幅度衰减TiO₂纳米纤维的光催化性能。因此，制备微观结构完整、无杂质与缺陷的Graphene/MetalNPs复合结构，并实现其在TiO₂纳米纤维中的功能化作用具有极其重要的意义。

物理沉积法（溅射沉积、电子束蒸发、热蒸发）作为一种可以快速有效得在二维材料表面沉积金属纳米颗粒的方法，其在制备过程中不需要引入任何外来介质来辅助Graphene/MetalNPs的合成。此外，这种方法还可以非常便捷得调控MetalNPs的粒径以及其在Graphene表面的分布密度。

武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授课题组长期致力于金属+石墨烯复合材料，以及TiO2基光催化材料的研究与应用。最近，博士研究生王中驰等人利用一种物理法制备的石墨烯/银纳米颗粒（物理法）复合结构对电纺法制备的TiO₂纤维进行改性，合成了一种三元Graphene/Ag NPs (physical)@TiO₂光催化纤维。实验结果表明，这种纤维有效克服了TiO₂本征宽带隙缺陷，此外，由于Ag NPs产生的表面等离子体共振效应，使得其对对可见光的响应十分强烈。与化学法制备的Graphene/Ag NPs (chemical)复合结构改性TiO₂纤维相比， Graphene/Ag NPs (physical)@TiO₂纤维具有更高的光电流密度与更优异的光催化性能，例如，其在可见光照射下的光催化活性提高2-3倍左右。这主要归因于物理法制备的Graphene/Ag NPs (physical)复合结构中石墨烯微观结构完整，表面缺陷密度低，Ag NPs粒径小（10 nm左右）且分散度高，更强的纳米效应使得光生电子迁移率得到大幅度提高，从而有效抑制了光生载流子的快速复合。该方法简单、环保、并可以进行大规模制备，在光解水制氢、太阳能电池、光致CO₂转换、光电器件等领域展现出极其广阔的应用前景。最近，该研究工作发表在材料学SCI刊物《Frontiers of Materials Science》（工程技术4区，影响因子2.019）上，并被编辑部选为封面论文。

论文链接：Zhongchi Wang，GongshengSong，Jianle Xu，Qiang Fu, Chunxu Pan: "Electrospun titania fibers by incorporatinggraphene/Ag hybrid for improved visible light photocatalysis", Frontiers of Materials Science, 2018, 12(4): 379–391. 2018-10-31 online.（封面文章）.

The newly published FOMS papers of Volume 12, Issue 4, 2018 can now be downloaded freely at the website: http://engineering.cae.cn/fileup/2095-025X/ALERT/Alert_TOC_EN.shtml 

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