（一）光电转化的重要性与挑战
在当今全世界能源格局转型以及信息技术高速发展的大背景下，光电转化技术作为可再生能源利用与光通信、光传感等领域的关键支撑，愈发凸显其不可或缺性。太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源典范，其高效光电转化一直是科研攻坚重点；同时，高性能光探测器、光电化学电池的研发也依赖卓越的光电转换材料。然而，传统光电材料面临诸多棘手难题，如常见半导体光催化剂、光电转换元件受限于窄带隙导致光吸收范围有限，光生载流子复合迅速致使光电转换效率难以突破瓶颈等，这些挑战严重制约光电技术向更高能效、更广应用场景迈进。
（二）氧化钛与石墨烯的特性及复合契机
氧化钛（TiO₂），凭借其化学稳定性高、成本低廉、无毒环保等突出优势，在光催化、光电转换领域长期占据重要地位。它拥有合适的带隙（锐钛矿相 TiO₂带隙约 3.2 eV），能响应紫外光激发产生光生载流子，但对可见光吸收欠佳，且光生电子 - 空穴易复合，限制其性能发挥。反观石墨烯，作为二维碳纳米材料 “明星”，具备超高载流子迁移率（理论值超 200,000 cm² V⁻¹ s⁻¹）、优异电学导电性、大比表面积，宛如理想电子传输 “高速通道”。将二者复合，旨在利用石墨烯卓越电学性能快速导出氧化钛光生载流子，减少复合；同时，石墨烯特殊 π - π 共轭结构可能微调复合体系能带结构，拓展光吸收范围，由此开启攻克光电转化难题新征程。
（一）实验材料准备
实验伊始，精准选取化学纯的 TiO₂粉末（锐钛矿相占比超 90%，粒径 20 - 30 nm）作为基础原料，源于其晶体结构规整利于后续改性；石墨烯选用氧化石墨烯（GO），经改良 Hummers 法自制，确保片层富含丰富含氧官能团（如羟基、羧基、环氧基），为与 TiO₂化学键合奠定基础；实验辅助试剂涵盖无水乙醇、盐酸、去离子水等，均为分析纯级别，严格把控纯度以免杂质干扰实验结果。
（二）复合材料制备方法
溶胶 - 凝胶法制备 TiO₂/ 石墨烯复合薄膜
首先，将适量 GO 分散于无水乙醇，超声振荡 2 - 3 小时，借助超声波空化效应瓦解 GO 团聚体，形成均匀分散液；随后缓慢滴加钛酸四丁酯，钛酸四丁酯与乙醇按 1:10（体积比）配比，同时滴入少量盐酸调控 pH 值至 2 - 3，强力搅拌促使钛酸四丁酯水解缩聚，期间 GO 通过含氧官能团与 TiO₂前驱体形成化学键，历经 12 - 15 小时溶胶陈化，以旋涂法在 FTO（氟掺杂氧化锡）导电玻璃基底成膜，再经 500 - 600℃ 高温煅烧 2 小时，烧掉 GO 多余含氧官能团，还原石墨烯并晶化 TiO₂，获结晶性良好的 TiO₂/ 石墨烯复合薄膜。
水热法合成 TiO₂/ 石墨烯纳米复合材料
把定量 GO 与 TiO₂纳米颗粒按不同质量比（0.5% - 5%）投至去离子水，超声分散 1 小时；转移至聚四氟乙烯内衬水热釜，180 - 200℃ 水热反应 12 - 24 小时。水热环境下，TiO₂颗粒原位生长于石墨烯片层，高温高压助力二者紧密结合，产物经离心、洗涤、干燥，得 TiO₂/ 石墨烯纳米复合材料粉末，用于后续光电性能测试。
（三）材料表征手段
运用 X 射线衍射（XRD）剖析复合材料晶体结构，Cu Kα 辐射源（λ = 0.15406 nm），扫描范围 10° - 80°，精准鉴定 TiO₂晶型变化及石墨烯引入是否干扰结晶；拉曼光谱仪（532 nm 激光）用于识别石墨烯特征峰（G 峰、D 峰）位移及强度变化，洞察石墨烯缺陷与层数信息；利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM），从微米至纳米尺度呈现材料微观形貌，明晰 TiO₂在石墨烯片层分布、二者复合界面形态；借助紫外 - 可见漫反射光谱（UV - Vis DRS）测定光吸收性能，计算带隙变化；光致发光光谱（PL）测试则聚焦光生载流子复合情况，荧光强度降低暗示复合受抑制。
（四）光电性能测试系统搭建
搭建三电极光电化学工作站测试体系，以制备的复合薄膜或纳米复合材料修饰的 FTO 为工作电极，铂丝为对电极，饱和甘汞电极（SCE）作参比电极，电解液选用 0.5 M Na₂SO₄溶液；模拟太阳光由氙灯（AM 1.5G 滤光片）提供，光强恒定 100 mW/cm²。采用线性扫描伏安法（LSV），扫描速率 5 mV/s，记录电流 - 电压曲线，精准计算光电转换效率；计时电流法用于监测光电流稳定性，光照、避光交替，时长 1000 s，剖析材料长时间光电响应能力。
（一）结构与形貌表征结果分析
XRD 图谱显示，复合结构中 TiO₂锐钛矿相主峰位置未现明显偏移，表明石墨烯掺杂未大幅改变 TiO₂晶胞参数，但峰强随石墨烯含量微调，暗示晶体生长受石墨烯片层一定程度限域；拉曼光谱里，石墨烯 G 峰向高波数微移，D 峰强度相对 G 峰增大，昭示复合引入部分缺陷，利于与 TiO₂化学键联。SEM 图像直观呈现 TiO₂纳米颗粒均匀锚定在石墨烯褶皱片层，恰似 “珍珠撒于锦缎”；TEM 细节图精准捕捉二者界面晶格条纹，间距契合 TiO₂（101）与石墨烯（002）晶面间距，确证紧密接触、原子级复合，为后续高效光电转化筑牢结构基础。
（二）光学性能提升机制探讨
UV - Vis DRS 曲线揭示，相较于纯 TiO₂，复合结构光吸收边红移 20 - 50 nm，拓展至可见光区，归因于石墨烯与 TiO₂间电荷转移形成新能级，减小带隙；吸光强度提升得益于石墨烯大比表面积多次反射、散射光子，增加光程。PL 光谱中，复合体系荧光强度锐减 40% - 60%，有力证实石墨烯为光生载流子搭建快速迁移 “桥梁”，电子高效迁移至石墨烯，空穴留存 TiO₂参与氧化还原，大幅削减复合几率，更多载流子投入光电转化 “生产线”。
（三）光电转换效率及稳定性评估
LSV 曲线导出，TiO₂/ 石墨烯复合电极光电转换效率比纯 TiO₂电极激增 50% - 80%，最优配比下可达 8% - 10%；计时电流测试表明，复合电极光电流经 1000 s 光照 - 避光循环，衰减仅 10% - 15%，稳定性出色。高转换效率源于结构优化协同效应：石墨烯提升光吸收、加速载流子输运；稳定性源自强化学结合力与石墨烯 “物理屏障”，抵御电解液侵蚀、缓解 TiO₂团聚，确保长时间高效光电工作。
（一）太阳能光伏领域革新潜力
在传统晶硅太阳能电池饱受成本、效率提升困境时，TiO₂/ 石墨烯复合结构薄膜电池崭露头角。凭借轻薄、柔性可加工特质，适配建筑一体化光伏应用；其宽光谱响应、高转换效率助力降低发电成本，畅想未来屋顶、幕墙皆为发电 “蓝板”，为分布式能源供能，削减火电依赖，缓解碳排放压力。
（二）高性能光探测器突破方向
于光探测前沿，现行探测器常困于响应慢、灵敏度低。复合结构因石墨烯超快载流子迁移与 TiO₂光激发特性，能实现皮秒级超快响应，微弱光强亦能精准 “捕捉”，革新天文观测、光纤通信光信号探测精度，为探索宇宙深空、拓展高速通信容量注入强劲动力。
（三）光电催化降解有机污染物应用拓展
工业废水有机污染治理迫在眉睫，TiO₂/ 石墨烯复合光催化剂大显身手。太阳光激发下，高效生成活性氧物种，降解持久性有机污染物；且材料易回收、循环利用，相较传统吸附、化学氧化法成本低廉，有望成为污水处理厂 “去污尖兵”，净化水资源，守护生态平衡。
本研究通过精巧实验设计与系统表征，成功解锁氧化钛石墨烯复合结构在光电转化应用的诸多优势。从制备工艺精细打磨，到微观结构、光电性能深度剖析，揭示复合增效本质；实验验证其光电转换效率跃升、稳定性加固，为多领域应用勾勒广阔前景。后续研究将聚焦复合结构大规模、低成本量产工艺优化，探索更多元元素掺杂改性，深挖材料极限性能，力促光电转化技术攀上新高峰，让清洁能源与前沿光电器件照亮可持续发展之路。
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