Từ khi được Geim and Novoselov tìm ra năm 2004, nhờ các tính chất ưu việt graphene được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (Hình 1.7) [21]. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là composite xúc tác dị thể chất bán dẫn/graphene. Việc kết hợp graphene với các chất xúc tác quang bán dẫn có thể khắc phục được các nhược điểm của vật liệu bán dẫn truyền thống như: hiệu suất lượng tử, sử dụng ánh sáng mặt trời và độ bền thấp, từ đó có thể dễ dàng cải thiện hoạt tính và độ bền của vật liệu chất bán dẫn/graphen.
Hinh 1.7. Một số tính chất ưu việt của graphen [21]
Năm 2008, Kamat và cộng sự công bố bài báo đầu tiên về tổng hợp TiO2/graphen thông qua quá trình khử graphen oxide được chiếu sáng bằng tia UV [22]. Graphen trong composite có 3 vai trò chính (Hình 1.8):
- Là một bán kim loại có năng lượng vùng cấm bằng 0, graphen trở thành một chất nhạy quang hoàn hảo (trong vùng khả kiến và vùng hồng ngoại), đồng thời nhờ sự giải tỏa electron trong hệ liên hợp π-π giúp electron rất linh động. Khi tạo thành hệ π-d trong các liên kết giữa TiO2 và graphen, electron được chuyển nhanh chóng giúp ngăn cản quá trình tái kết hợp của cặp lỗ trống và electron quang sinh.Hơn nữa, cũng
nhờ sự linh động trong hệ elctron π, graphen đóng vai trò như một cái bể (tank) có khả năng nhận electron. Điều này giúp cải thiện tốc độ phân hủy của các chất xúc tác quang [23][24] [25].
- Nhờ diện tích bề mặt riêng lớn, graphen không những giúp khả năng phân tán TiO2 tốt, tránh hiện tượng kết tụ đám của TiO2 mà còn giúp tăng cường khả năng hấp phụ chất hữu cơ trên bề mặt vật liệu composite.
Hinh 1.8. Các vai trò chính của graphen trong composite TiO2/graphen