利用半導(dǎo)體光催化氧化處理各種污染物是一種環(huán)境治理的有效方法。TiO2被認(rèn)為是最具應(yīng)用潛力的半導(dǎo)體光催化劑；然而其光吸收僅限于紫外區(qū)，且光照后產(chǎn)生的電子與空穴易于復(fù)合而失去活性。為抑制復(fù)合，除傳統(tǒng)的摻雜及共吸附，碳材料作為電子的良受體也吸引了大家的目光，石墨烯（GR）已被證明可有效抑制復(fù)合。最近，碳家族又增加了一個(gè)新成員—石墨炔（GD），是由1,3-二炔鍵將苯環(huán)共軛連接形成平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的全碳分子，具有大的共軛體系和寬面間距。

    在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題的支持下，中科院過(guò)程工程研究所王丹研究員的研究團(tuán)隊(duì)利用水熱法使TiO2與GD通過(guò)Ti-O-C形成復(fù)合材料，表現(xiàn)出比純TiO2、TiO2-碳納米管以及TiO2-GR復(fù)合材料更優(yōu)越的光催化性能。同時(shí)，由于C雜質(zhì)能級(jí)的引入減小了TiO2的帶隙寬度，使其展示出優(yōu)良的可見(jiàn)光催化活性。該成果發(fā)表在國(guó)際期刊Small（Small, 2012, 8, 265-271）上。

    在以往成果的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)采用基于密度泛函理論的第一原理方法計(jì)算了TiO2與二維碳材料復(fù)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與電子特性。結(jié)果表明，TiO2(001)-GD復(fù)合物的電子結(jié)構(gòu)、電荷分離和氧化能力都優(yōu)于純TiO2(001)和TiO2(001)-GR復(fù)合物，是一種極具應(yīng)用潛力的光催化劑。通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果，在光催化降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，TiO2(001)-GD的降解反應(yīng)速率常數(shù)是純TiO2(001)的1.63倍，是TiO2(001)-GR的1.27倍，對(duì)高效光催化劑設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具有重要意義。該成果發(fā)表在國(guó)際期刊ACS Nano（ACS Nano, 2013, 7, 1504-1512）上。