石墨烯基催化劑已廣泛應用于催化臭氧化。然而，由于難以獲得具有高結構精度的石墨烯，因此目前理解層狀碳催化劑的固有結構與其催化活性之間的關系是不可行的。這里，一種先進的等離子體輔助蝕刻策略被用于通過定制缺陷類型來微調單層石墨烯膜的臭氧化活性。拉曼圖譜顯示，制備的單層石墨烯薄膜的缺陷主要是sp
3、空位和邊界型缺陷。通過淬滅實驗、電子順磁共振結果和密度泛函理論計算，揭示了這些活性缺陷在操縱單層石墨烯薄膜氧化勢中的作用和貢獻。催化結果表明，具有類邊界缺陷的單層石墨烯薄膜對磺胺甲惡唑的降解表現出最佳的催化性能。這項工作通過構造額外的缺陷位點，為高效含碳催化劑的設計提供了新的見解。
圖 1. (a) 缺陷石墨烯/SiO2/Si的制備示意圖。 原始石墨烯在(b)銅箔上生長和(c)轉移到 SiO2/Si 基板上的SEM圖像。生長在(d) 銅箔上和 (e) 轉移到 SiO
2/Si襯底上的GF-3的 SEM 圖像。 (f) GF-3薄膜的TEM圖像和 (g) SAED圖案。 (h) GF-3樣品的的光學顯微鏡和拉曼強度圖 (i) Gpeak、(j) D-peak、(k) D'-peak和 (l) 2D-peak。
圖 2. (a,b) GF-1、(c,d) GF-2、(e,f) GF-3 和 (g,h) GF-4 的SEM顯微照片。 (i) 具有不同等離子體蝕刻時間的缺陷石墨烯薄膜的拉曼光譜和 I(D)/I(D') 強度比。有缺陷的石墨烯薄膜的水接觸角升高作為等離子體暴露時間的函數：(j) GF-1、(k) GF-2、(l) GF-3 和 (m) GF-4。 不同石墨烯薄膜的 I(D)/I(D') 比的拉曼映射：(n) GF-1、(o) GF-2、(p) GF-3 和 (q) GF-4。
圖 3. (a) 用于臭氧催化實驗的反應器。(b)石墨烯和缺陷石墨烯的催化臭氧化效率曲線 (c)相應的 TOC 去除率。 (d) SMZ 降解的偽一級動力學速率常數。 條件：SMZ 濃度：5 mg/L，臭氧流速：100 mL/min，溫度：25℃，用 0.1M HCl/NaOH 溶液將pH調至 7.0。
圖 4. 使用 DMPO 作為捕集劑在 (a) 超純水和 (b) 無水甲醇中進行的 EPR 光譜。 (c) 使用 TEMP 作為捕集劑在超純水中進行的 EPR 光譜。 (d)與有缺陷的石墨烯在用臭氧鼓泡 30 分鐘后產生的•OH 量相關的熒光發射強度峰。(e)淬滅劑對 SMZ 降解的影響。
圖 5. 有缺陷的石墨烯催化劑不同位點上臭氧分子的 DFT 模型：(a) 原始石墨烯，(b) sp
3型缺陷石墨烯，(c) 空位型缺陷石墨烯，(d) 鋸齒形邊緣型缺陷石墨烯 ，和（e）扶手椅邊緣型缺陷石墨烯。
圖 6. 多片 (a) 和多層 (b) 缺陷石墨烯薄膜的示意圖。 (c)多層缺陷石墨烯的拉曼光譜。 (d) 是（c）中G峰和2D峰的放大。(e)用多層缺陷石墨烯和 (f)多片缺陷石墨烯通過催化臭氧化去除 SMZ。 (g) 存在各種陰離子時的 SMZ 氧化效率。 (h) SMZ降解率與溶液pH 值之間的關系。
相關科研成果華東師范大學Yenan Song和Zhuo Sun等于2021年發表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.1c16920）上。原文：Defect-Engineered Graphene Films as Ozonation Catalysts for the Devastation of Sulfamethoxazole: Insights into the Active Sites and Oxidation Mechanism。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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