石墨烯及其復合材料在水處理中的應用

在2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈˙杰姆和克斯特亞˙諾沃消洛夫，他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，將石墨薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，將石墨片一分為二，不斷地這樣操作，薄片越來越薄，最后他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。

石墨烯是目前最結實的材料之一，具有很好的導熱性及極高的電子遷移率，它能夠作為電極材料、傳感器、儲氫材料。

石墨烯及其復合材料的特性和制備方法

隨著科學技術的不斷發展，石墨烯在制備方面已經取得了巨大進步，其制備過程一般是：石墨-氧化石墨-氧化石墨烯-石墨烯。由于石墨烯的結構十分穩定、導熱系數也極高、同時還是目前自然界中強度最大的物質，因此它具有較良好的導電性、導熱性和機械特性。

目前，石墨烯的制備方法常見的有化學氣相沉積法、晶體外延生長法、膠體懸浮液法以及微機械剝離法等。應用于水處理中的石墨烯一般采用化學方法來進行制備，又由于要考慮制備成本及規模，通常使用的是氧化還原法。氧化石墨烯正常情況下是由石墨經過化學氧化和超聲制備而得，由于石墨的來源廣泛，較為廉價，氧化石墨烯利于大規模化的生產，并且氧化石墨烯具有羥基、羧基和環氧基等含氧基團，具有親水性，能夠相溶于多種容積，很適合應用于水處理工程中。

目前常見的石墨氧化法的基本原理是用強酸對石墨進行處理，使之形成石墨層間化合物，再把強氧化劑加入其中對其進行氧化，最為常見的就是Hummers法，它能有效減少制備的時間，提高安全性。

在水處理工程的應用中，石墨烯自身的憎水性及易聚集性約束了它的應用范圍，因此研究具有較強的親水性和生物相容性的復合材料，是目前石墨烯材料的具體研究方向。在制備石磨洗復合材料時，首先要知道石墨烯的表面是穩定惰性的，很難與溶劑相溶，也不能和其他無機(有機)材料進行復合，因此首先要把氧化石墨烯和納米材料進行復合，再對復合后的材料進行還原，即可獲得石墨烯復合材料。

石墨烯及其復合材料在水處理中的應用

石墨烯及其復合材料主要作為水處理工程中的吸附劑。石墨烯不止擁有良好的儲氫能力，還能用于氣體分子傳感器，它主要吸附無極陰離子和有機物這兩種污染物。大分子的有機污染物能夠和石墨烯表面的基團相互作用，生成穩定的復合物，石墨烯對于這種污染物的吸附能力較強，因此較多學著對石墨烯吸附去除有機染料進行了研究。

相較于其他納米材料，石墨烯的吸附能力更強，甲級藍由于具有大分子和苯環，石墨烯的吸附速度更快，吸附容量更大。另外，當進行過五次吸附-脫附循環后，石墨烯對甲基藍的吸附效果依然保持不變。其中要注意，由于有機染料和石墨烯間電子傳遞的速度和作用機理不同，表面帶正電荷的有機物和石墨烯之間的電子傳遞速度更快。

石墨烯的功能化不僅可以對石墨烯的邊緣或缺點進行化學修飾，連入新的官能團或分子鏈，還可以在分子間的相互作用力或離子鍵作用的基礎上，引入修飾分子或離子，加強石墨烯在溶劑中穩定分散的能力。功能化石墨烯對無機污染物的研究擴大了它在水處理工程中的應用范圍。

氧化石墨烯和殼聚糖形成的復合材料對金屬污染物的吸附能力更強，經過試驗表明，氧化石墨烯/殼聚糖對于金元素和鈀元素這兩種金屬離子的吸附是在自發和放熱的過程中進行的，并且適用的pH值范圍較大，脫附的過程也比較高效。

氧化石墨烯和磁性材料生成的復合材料能夠加強材料的表面性能，具有更強的吸附性，這種復合材料的吸附能力主要由pH值和離子強度決定。并且這種復合材料性質較為穩定，容易再生，在反復利用多次之后，吸附能力也能恢復到原始飽和吸附容量的90%左右。氧化石墨烯和磁性材料生成的復合材料最明顯的優勢是對環境污染性極小，可降解，吸附速度較快且易分離。

還原氧化石墨烯在水處理工程中的應用也較為廣泛。還原氧化石墨烯一般可以用化學法、熱剝離法、紫外光輻射法及微波法等方法把氧化石墨烯表面的某些基團還原就可以獲得。因為膨化的氧化石墨烯表面含有羥基、羧基和環氧基等含氧基團且帶有負電荷，對于吸附陽離子性的染料具有很好的效果，但是對于吸附陰離子性的染料的效果不太好。

研究人員經過之言發現靜電作用在吸附去除有機染料的過程中起著極為重要的作用，其中要特別注意的是，采用不同的還原方法制備的還原氧化石墨烯會有不一樣的表面電勢，這將會影響它們在水處理工程中的應用。

此外，由于石墨烯具有較為優秀的電子傳輸性，在光電轉化和光催化工程中把石墨烯類碳材料與光催化材料進行結合之后，應用于水處理工程中，這樣就能有效發揮兩種材料的協同效應。與在水中和極性溶劑中較難分散的石墨烯相比，氧化石墨烯由于其表面含有較多的含氧基團，有很好的親水性，能通過功能基團與其他聚合物穩固結合形成復合物，能夠穩定的分散在水溶液中，制備過程簡單，利于大規模生產。

氧化石墨烯不止能夠和乙烯醇聚合物及聚氧化乙烯等水溶性聚合物復合，還能同姑婆水溶性乳膠法獲得新復合材料。氧化石墨烯表面的環氧基、羥基、羧基等含氧基團可與金屬離子，特別是多價金屬離子進行絡合反應，并且氧化石墨烯還能夠與有機污染物相互作用，所以氧化石墨烯還可以除去水中的金屬和有機污染物。另外與碳納米管相比較，氧化石墨烯的制備成本更低，制備過程也更簡單。具體的二氧化硅/石墨烯復合材料合成路線圖如圖2所示，為此類研究作參考。

二氧化鈦與氧化石墨烯生成的復合材料除了可以加大吸附能力、加強電子傳輸能力之外還能提高二氧化鈦的光催化性，經研究表明，二氧化鈦和氧化石墨烯的復合方法很多，復合形成的新復合材料的去污能力更強。

結束語

就目前的這些研究而言，石墨烯及其復合材料在水處理中的應用的關鍵突破在于材料和環境治理的交叉研究。研究新型的石墨烯復合材料主要是按照材料自身的去污的特性，和石墨烯類碳材料復合，加強材料在吸附、電子傳遞及還原等方面的能力。

另外，石墨烯及其復合材料的穩定性不高，制備大量而穩定的石墨烯復合材料也是石墨烯應用于水處理的主要問題。為了使石墨烯及其復合材料廣泛地應用于水處理工程中，仍然需要科研人員的不斷探索與實踐。

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原標題:石墨烯及其復合材料的特性、制備方法及在水處理中的應用