Cr2O3-石墨烯纳米复合材料：高性能超级电容器与亚甲基蓝降解的双功能材料研究

本研究针对水污染治理和能源存储需求，通过低成本共沉淀法合成Cr2O3/GNPs纳米复合材料，实现可见光下93.1%的MB降解效率和462.2 F/g的超高比电容。该研究为环境修复与新能源器件开发提供了创新解决方案。

　　

随着工业废水排放加剧，亚甲基蓝(MB)等有机染料对水生态系统的威胁日益严峻。传统处理技术存在成本高、二次污染等问题，而半导体光催化技术虽具潜力，却受限于宽禁带材料的可见光利用率低和电荷复合率高。与此同时，能源存储领域对高性能电极材料的需求持续增长。针对这些交叉学科难题，研究人员将目光投向具有窄带隙特性的三氧化二铬(Cr₂O₃)与高导电石墨烯纳米片(GNPs)的复合体系。

某中国研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表研究，通过精确调控Cr₂O₃/GNPs的化学计量比(7:3, 2:3, 1:9)，开发出兼具高效光催化与优异储能性能的双功能纳米复合材料。该工作创新性地利用GNPs的二维界面效应，同步解决了光催化剂载流子分离效率低和电极材料导电性差的核心问题。

研究采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、场发射扫描电镜(FE-SEM)进行结构表征，通过紫外-可见光谱(UV-Vis)评估光催化性能，并运用循环伏安法(CV)、恒电流充放电(GCD)和电化学阻抗谱(EIS)分析电化学特性。

4.1 形貌分析
FE-SEM显示GNPs使Cr₂O₃粒径从365nm降至200nm，1:9样品呈现最均匀的分散形态，为后续性能提升奠定结构基础。

4.2 结构分析
XRD证实所有样品保持菱方晶系结构，1:9复合物的晶粒尺寸最小(24.63nm)，位错密度最高(1.65×10¹⁵ lines/nm²)，这与其高活性密切相关。

4.3 能带分析
UV-Vis显示GNPs将Cr₂O₃带隙从3.18eV调控至1.63eV，1:9样品在可见光区吸收显著增强，完美匹配太阳光谱。

4.4 拉曼分析
A_1g振动峰蓝移(547→533cm^-1)和I_D/I_G比值变化证实GNPs引入sp²缺陷，促进界面电荷转移。

4.5 光催化性能
1:9样品60分钟内降解93.1%MB，速率常数(4.63×10^-2 min^-1)是纯Cr₂O₃的5倍，归因于Cr³⁺/Cr⁴⁺氧化还原对与GNPs的协同作用。

4.6 电化学分析
CV曲线显示1:9样品兼具双电层(EDLC)和赝电容行为，GCD测试获得462.2F/g比电容，EIS揭示其等效串联电阻仅6Ω，满足超级电容器应用要求。

该研究通过缺陷工程和界面调控，首次实现Cr₂O₃/GNPs在环境和能源领域的双功能应用。1:9复合材料展现的"缺陷诱导电荷分离"机制和"二维界面电子桥"效应，为设计新型多功能纳米材料提供了范式。其可见光驱动降解能力可大幅降低污水处理能耗，而卓越的储能性能则为开发高功率密度器件开辟新途径。Javaria Bashir等学者的工作标志着纳米复合材料从单一功能向"环境-能源"协同应用的重要跨越。