石墨烯(graphene，GE)是一種由sp2雜化的碳原子以六邊形排列形成的周期性蜂窩狀二維碳質(zhì)新材料，具有比表面積大、電子遷移率高和化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特性。本文重點(diǎn)總結(jié)了近年來(lái)石墨烯及其復(fù)合材料應(yīng)用于水處理吸附劑及光催化劑兩個(gè)方面的研究進(jìn)展。石墨烯及其復(fù)合材料對(duì)于處理重金屬、有機(jī)污染物等污染物質(zhì)的吸附效果好，吸附容量高;與光催化材料結(jié)合后，石墨烯由于其獨(dú)特的物理化學(xué)特性有效增強(qiáng)了復(fù)合材料的光催化特性。最后對(duì)各種石墨烯及其復(fù)合材料在水處理中的應(yīng)用作出了評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)它們?cè)谒幚碇械膽?yīng)用前景做了展望。

1、引言

石墨烯(graphene，GE)是一種由sp2雜化的碳原子以六邊形排列形成的周期性蜂窩狀二維碳質(zhì)新材料。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理和天文學(xué)系的Geim和Novoselov等用膠帶剝離石墨晶體首次獲得了石墨烯，并由此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯物理化學(xué)性質(zhì)獨(dú)特，是世界上最堅(jiān)固的材料之一，理論比表面積高達(dá)2630m2/g，具有良好的導(dǎo)熱性和高速的電子遷移率(200000cm2/(V·s))，可作為電極材料、傳感器、儲(chǔ)氫材料。同時(shí)，用于制備石墨烯及其復(fù)合材料的石墨來(lái)源廣泛，石墨烯及其復(fù)合材料，相比碳納米管，價(jià)格較低廉，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，許多學(xué)者開始研究石墨烯及其復(fù)合材料在水處理中的應(yīng)用。圖1為單層石墨烯分子模型。

石墨烯及其復(fù)合材料在水處理中的應(yīng)用

石墨烯(graphene，GE)是一種由sp2雜化的碳原子以六邊形排列形成的周期性蜂窩狀二維碳質(zhì)新材料，具有比表面積大、電子遷移率高和化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特性。本文重點(diǎn)總結(jié)了近年來(lái)石墨烯及其復(fù)合材料應(yīng)用于水處理吸附劑及光催化劑兩個(gè)方面的研究進(jìn)展。石墨烯及其復(fù)合材料對(duì)于處理重金屬、有機(jī)污染物等污染物質(zhì)的吸附效果好，吸附容量高;與光催化材料結(jié)合后，石墨烯由于其獨(dú)特的物理化學(xué)特性有效增強(qiáng)了復(fù)合材料的光催化特性。最后對(duì)各種石墨烯及其復(fù)合材料在水處理中的應(yīng)用作出了評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)它們?cè)谒幚碇械膽?yīng)用前景做了展望。

1、引言

石墨烯(graphene，GE)是一種由sp2雜化的碳原子以六邊形排列形成的周期性蜂窩狀二維碳質(zhì)新材料。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理和天文學(xué)系的Geim和Novoselov等用膠帶剝離石墨晶體首次獲得了石墨烯，并由此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯物理化學(xué)性質(zhì)獨(dú)特，是世界上最堅(jiān)固的材料之一，理論比表面積高達(dá)2630m2/g，具有良好的導(dǎo)熱性和高速的電子遷移率(200000cm2/(V·s))，可作為電極材料、傳感器、儲(chǔ)氫材料。同時(shí)，用于制備石墨烯及其復(fù)合材料的石墨來(lái)源廣泛，石墨烯及其復(fù)合材料，相比碳納米管，價(jià)格較低廉，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，許多學(xué)者開始研究石墨烯及其復(fù)合材料在水處理中的應(yīng)用。圖1為單層石墨烯分子模型。

圖1單層石墨烯分子模型

2、石墨烯的制備和性質(zhì)

近年來(lái)，石墨烯制備已經(jīng)取得了積極的進(jìn)展，石墨烯的制備過(guò)程通常是石墨-氧化石墨-氧化石墨烯-石墨烯，其制備過(guò)程見(jiàn)圖2。常見(jiàn)的石墨烯類碳材料包括石墨烯、氧化石墨烯和還原氧化石墨烯等。石墨烯的制備方法主要有微機(jī)械剝離法(micromechanicalcleavage)、化學(xué)氣相沉積法(chemicalvapordeposition)、晶體外延生長(zhǎng)法(epitaxialgrowth)、膠體懸浮液法(colloidalsuspension)等。在水處理中應(yīng)用的石墨烯，考慮到制備方法、制備成本及規(guī)模，大多采用化學(xué)方法制備，其中氧化還原法應(yīng)用最為廣泛。氧化石墨烯(grapheneoxide，GO)通常是由石墨經(jīng)化學(xué)氧化、超聲制備獲得。因石墨來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，氧化石墨烯便于大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)，氧化石墨烯擁有大量的羥基、羧基、環(huán)氧基等含氧基團(tuán)，是一種親水性物質(zhì)，與許多溶劑有著較好的相容性，非常適合在水處理中應(yīng)用。

目前報(bào)道的常用的石墨氧化方法主要有Brodie法、Standenmaier法以及Hummers法。其基本原理都是先用強(qiáng)酸處理石墨，形成石墨層間化合物，然后加入強(qiáng)氧化劑將其氧化。其中使用濃H2SO4、NaNO3及KMnO4作氧化劑的Hummers法最為常用，該方法縮短了制備的時(shí)間，提高了安全系數(shù)，水處理應(yīng)用中多采用該方法。氧化石墨烯可以通過(guò)化學(xué)法(利用還原劑如水合肼，二甲肼，硼氫化鈉等)、熱剝離法、紫外光輻射法、微波法等方法還原成石墨烯。將氧化石墨烯表面的含氧基團(tuán)部分還原后得到還原氧化石墨烯(reducedgrapheneoxide，RGO)，提高了其表面電勢(shì)，相比氧化石墨烯，對(duì)于水中陰離子污染物的吸附能力有所增強(qiáng)。

圖2還原氧化法制備石墨烯路線示意圖

5、總結(jié)與展望

石墨烯分散性不好在水溶液中應(yīng)用受到限制，而氧化石墨烯表面含有羥基、羧基、環(huán)氧基等含氧基團(tuán)，親水性較好，表面的負(fù)電荷較高，對(duì)于處理金屬離子和帶正電荷的染料廢水均具有較好的效果。還原氧化石墨烯表面的含氧基團(tuán)被部分還原，提高了材料的表面電勢(shì)，可處理表面帶負(fù)電荷的有機(jī)染料廢水及部分陰離子污染物。石墨烯及其復(fù)合材料在光催化性能方面能起到有效作用，主要?dú)w結(jié)為以下三方面。首先，比表面積大，增強(qiáng)復(fù)合材料的吸附能力。其次，較高的電子傳遞能力，可作為電子受體，延緩電子-空穴對(duì)的復(fù)合，增強(qiáng)復(fù)合材料的光催化活性。最重要的是石墨烯使復(fù)合材料的光譜響應(yīng)拓展至可見(jiàn)光區(qū)，降低光催化材料的能帶間隙。

從目前的研究來(lái)看，石墨烯在水處理領(lǐng)域應(yīng)用的主要突破在于材料、化學(xué)和環(huán)境治理的交叉研究。研究新型的石墨烯復(fù)合材料主要是依據(jù)材料本身去除污染物的特性，通過(guò)與石墨烯類碳材料復(fù)合，來(lái)增強(qiáng)材料在吸附、電子傳遞及還原等方面的能力。石墨烯及其復(fù)合材料去除污染物的機(jī)理目前還不清楚，從機(jī)理出發(fā)探求石墨烯基復(fù)合材料對(duì)水中重金屬、無(wú)機(jī)物、有機(jī)污染物，特別是新型難降解污染物的去除有較大的研究空間。此外，石墨烯及其復(fù)合材料的穩(wěn)定性還需提高，放量制備穩(wěn)定的石墨烯復(fù)合材料也是石墨烯廣泛應(yīng)用于水處理的難點(diǎn)問(wèn)題。易于分離、環(huán)境友好的磁性石墨烯復(fù)合材料在水處理中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景，但是石墨烯復(fù)合材料大量、廣泛地應(yīng)用到水處理工程中仍需時(shí)日。