石墨烯“劈腿”水解決 這是怎么回事？

　　隨著世界人口數量的不斷增長、水污染情況不斷加劇，使得污水解決受到空前的關注。人們在積極尋找污水解決與利用的辦法。基于比表面積大、強度高、化學穩定性好、可修飾性強以及導電性好等優勢，石墨烯不僅可很好的吸附水中的有機溶劑、重金屬等污染物，還可作為催化劑載體，催化水中污染物的降解，因而作為污水解決材料被人們廣泛研究。

　　工業廢水的亂排亂放、城市生活垃圾、農藥噴灑等等，造成本來已是極少的淡水資源加劇短缺，無法為人所用。每年大量的廢污水給我國的環保行業帶來巨大的壓力。水污染情況不斷加劇，使得污水解決受到空前的關注。

　　人們在積極尋找污水解決與利用的辦法。基于比表面積大、強度高、化學穩定性好、可修飾性強以及導電性好等優勢，石墨烯不僅可很好的吸附水中的有機溶劑、重金屬等污染物，還可作為催化劑載體，催化水中污染物的降解，因而作為污水解決材料被人們廣泛研究。

　　石墨烯對水中有機物的吸附

　　石墨烯是世界上最薄、最硬的材料，于2004年問世，發現石墨烯的英國曼徹斯特大學諾沃肖洛夫教授憑著這一重大發現而于2010年獲得諾貝爾物理學獎!

　　石墨烯材料可以用來吸附水中有機污染物，例如有機染料、烴類、原油、農藥和一些天然有機物質。

　　王祥科教授等通過大量的試驗將石墨烯表面進行磺酸基功能化解決，這種解決提高了石墨烯的分散性，進而提高了石墨烯的吸附能力。研究結果聲明，這種功能化石墨烯對萘和萘酚的吸附能力達到了2.4mmol/g。與二維材料負載率低且可能造成二次污染相比，三維材料在水凈化中能很容易被循環利用。研究聲明，獨立的三維結構很容易被回收，有利于材料的循環再利用。這不但簡便了操作，也大大降低了回收成本，對于實際的工業操作有很大的使用價值。三維石墨烯不僅對有機染料具有很好的吸附性，對各種類型的油也具有很高的吸附容量，這對以后的海水中的石油污染也具有很高的利用價值。

　　Ruoff教授等利用水熱成型過程制備得到海綿狀結構的石墨烯;然后，利用這種材料去除人工海水中許多商業石油產品(包括煤油、泵油、油脂和有機溶劑等)來檢驗其吸油性能。試驗結果聲明，石墨烯海綿材料吸收了超過其本身重量86倍的油污，超過其他任何常見吸收劑的吸油能力。其吸收的碳氫化合物隨后通過簡單地加熱回收，回收率能達到99%。通過該過程，石墨烯海綿可以重新生成，并且重復使用10次以上，其性能絲毫不會下降。

　　李海濤教授選取粒徑為500nm的石墨烯碎片，通過一種特殊的物理技術，把石墨烯碎片送入活性炭的細孔并附椎在內表面上，達到增加過濾材料的比表面積，改善過濾效果，研制出一種功能性材料--石墨烯炭分子篩。該材料具有超高的吸附性，且輕薄、穩定、耐熱、比表面積大、對人體無害。與同等重量的活性炭相比其吸附性能提高20倍。這種石墨烯炭分子篩材料可以合成一種復合膜，可有效去除飲用水中的抗生素。

　　劉兆平教授利用甲酰胺作為驅動劑，通過一般加熱的方式制備具有納米卷結構的氮摻雜三維石墨烯材料。去除亞甲基藍和羅丹明B的去除效率分別達到了96.8%和94.6%。氮摻雜所帶來的螺旋通道是使有機物可以連續高效率的擴散到石墨烯內層的關鍵。

　　石墨烯在治理重金屬污染中的作用

　　不加限制的科技發展對環境造成了極大破壞，如電子廢棄產品的不當解決對水體造成了重金屬污染。而石墨烯由于具有超大比表面積，其在吸附劑范疇具有很大使用潛力。

　　Leng等利用肼還原氧化石墨，所制得的還原氧化石墨烯(rGO)可自發吸收金屬銻，且最大吸附量可達7.463mg/g。而Pan等利用工業中常用的二硫化脲還原GO，所制得的rGO可以自發吸附放射性核燃料釷，且最大吸附量為0.21mg/g。由于石墨烯表面活性官能團較少，因此許多研究者針對石墨烯進行修飾和改性后，將其使用于重金屬的吸附，取得了較好的吸附效果，甚至可以實現多種重金屬離子的同時吸附去除。

　　Wu等利用十六烷基三甲銨(CTAB)對石墨烯進行改性后發現，改性石墨烯可自發吸附金屬Cr，且最大吸附量可達21.57mg/g。Mishra等利用氫氣使GO剝落從而獲得石墨烯片層，然后再用濃硝酸解決，使石墨烯表面富含官能團，將功能化的石墨烯用作超級電容器電極，不僅實現了對水中As和Na的去除，同時實現了海水脫鹽，其最大吸附量分別為As(V)142mg/g、As(III)139mg/g，分明高于多壁碳納米管和磁性還原氧化石墨。

　　與石墨烯相比，GO由于具有更多含氧官能團，親水性強，因此更容易被修飾，也使其更易與金屬形成絡合物，因此更有利于水中重金屬的吸附。除了對重金屬具有好的吸附性，GO對放射性元素鈾(VI)也具有很好的吸附性。

　　Li等人用GO納米片層對鈾(VI)進行吸附，結果聲明，GO對鈾(VI)的最大吸附量為299mg/g，吸附效果分明好于rGO(47mg/g)。與石墨烯相近，對GO進行修飾能夠進一步增加吸附效果。

　　Madadrang等人用乙二胺四乙酸(EDTA)對GO進行改性，由于EDTA能與金屬形成穩定的螯合劑，因而具有很好的吸附效果，依據Langmuir模型，GO-EDTA對Pd2+的最大吸附量達到了525mg/g，比GO高近2倍。

　　此外，三維石墨烯不僅可作為宏觀體處理了固液分離的難題，在吸附性能上也具有很大優點。Lei等人制備出比表面積達578.4mg/g的三維獨立GO泡沫，其對Cd2+、Pd2+和Fe3+的最大吸附量分別為252.5、381.3和57.6mg/g。

　　Gao等人利用多巴胺還原石墨烯制備出了三維石墨烯水凝膠，多巴胺在還原石墨烯的同時，將石墨烯表面進行修飾。所制備的石墨烯除了對重金屬有很好的吸附性外，對合成燃料，芳烴污染物等也具有很好的吸附性。石墨烯不僅可以吸附金屬陽離子，而且對陰離子也有很好的吸附效果。例如，石墨烯可以吸附水中PO4-，ClO4-以及F-，與重金屬陽離子的固定吸附機理不同，陰離子是通過和石墨烯上形成π-π結構來吸附的。

　　Vilela等發明了一種氧化石墨烯基的微型機器人，可用來清理污染水域中的有毒重金屬。實驗聲明，微型機器人在一個小時之內，能回收污染水域中95%的鉛，將水域中含鉛的濃度從1.0×10-6降低到0.5×10-7。而將回收的鉛進行化學分離之后，微型機器人可再次投入使用。

　　石墨烯雖然在吸收重金屬離子方面有非常優異性能，但目前石墨烯價格太高及工藝條件不成熟，在重金屬吸附范疇還很難投入大規模使用。隨著石墨烯制備價格的降低，以及吸附效果的提高，石墨烯必將在污水中重金屬離子吸附范疇具有巨大的使用前景。

　　石墨烯作為催化劑載體在污染物降解方面的研究

　　雖然吸附可以去除水中的污染物，然而這一技術僅能吸附污染物，而真要達到凈化水還需要對吸附后的材料進行進一步解決。全面沉降或去除污染物可以通過催化降解的辦法。催化治污成本低、效率高，具有非常好的使用前景。

　　石墨烯巨大的比表面積和表面豐富的官能團賦予其優異的特性，使其作為催化劑載體等方面具有較大的潛力。

　　研究聲明，以石墨烯為載體制備的二氧化鈦/石墨烯光催化劑在紫外光下降解羅丹明B和亞甲基藍的速率較純TiO2有分明提高。金屬氧化物/石墨烯復合材料則具有非常好的光催化效率，可催化降解有機物、還原重金屬陽離子以及凈化水。石墨烯催化劑還可以殺死污水中的細菌。石墨烯和氧化鎢納米復合材料表現出良好的光催化殺滅噬菌體的特性。TiO2/石墨烯復合材料催化劑在光照下也表現出對線蟲和大腸桿菌的毒副作用。

　　將來方向分解

　　在過去的十年中，石墨烯以及石墨烯類材料要怎么樣使用到環保中已經取得了巨大沖破。石墨烯神奇的結構和優異的性能將環保材料的性能顯著提高。由于石墨烯和碳納米管、富勒烯的化學結構相近，因此在環保范疇也將具有很大相近的使用。因此，選擇使用哪種碳材料在環保范疇中使用，主要決定于他們的價格、出產性以及對環境的影響。

　　從這個方面考慮，由于GO價格相較與原始石墨烯相對便宜，因此GO很可能率先使用于環保范疇。GO的價格與多壁碳納米管價格相當，比活性炭貴，但是比單壁碳納米管和CVD法合成的石墨烯便宜很多。然而，由于加工能力增加以及工藝優化，基于石墨烯的材料成本必然會隨著時間的推移而下降。2014年試驗室石墨烯的加工成本已經降為2012年的1/4左右。得益于石墨烯成本的下降，石墨烯下游使用在實現研究沖破的同時也將很快實現工業化的沖破。

　　雖然石墨烯在水解決范疇的研究成果豐碩，但由于其高昂的價格，在相當長的一段時間內，多范疇的使用仍將停留在研究階段。

　　石墨烯的比表面積巨大，可以很好的吸附水中的重金屬以及染料，石墨烯作為吸附劑使用于環保范疇將開啟產業化進程。目前來說，因為雖然石墨烯的吸附性能非常優異，但是與活性炭相比性價比太低，不具備經濟效益。石墨烯比表面積的理論值為2630m2/g，但是一般品質的石墨烯很難超過1000m2/g;而商業活性炭的比表面積一般在800～1000m2/g之間，具有發達的微孔結構，其吸附性能也非常優異，因此看似沒有必要采用價格昂貴的石墨烯替代活性炭用于各類污染物的吸附。

　　然而石墨烯卻擁有著活性炭等材料無法比擬的優點，由于其特殊的二維結構和孔徑分布，對于污染物的吸附效率會更高;此外，GO以及rGO表面的官能團其多種吸附機制的協同作用(靜電作用、氫鍵作用、π-π鍵作用以及疏水作用等)也帶來了更好的吸附效果。

　　目前很多研究聚集在石墨烯對水中各種重金屬離子的吸附上，雖然活性炭吸附重金屬的特性比石墨烯差，但是這一不足可靠數量優點彌補。近年來，國內很多石墨烯原材料加工企業都已布局了量產加工線，隨著下游使用產品的開發，石墨烯加工成本的不斷降低只是時間問題，將來在污水解決的市場中占據主導地位。

　　結論

　　石墨烯，尤其是氧化石墨烯，不僅比表面積巨大，而且表面含大量的活性官能團如羧基、羥基、羰基、環氧基以及大量的孔洞缺陷等，因此吸附能力很強，對環境中的重金屬離子、有機污染物等都有具有良好的去除能力。同時，石墨烯作為吸附劑使用時，對其質量要求不是很高，降低了實際使用的難度，將來在污水解決范疇有非常緊要的使用。世界各國也相繼出臺政策引導石墨烯產業的大發展，特別是面對當前世界的頭號難題環境問題，必將持續深度研究，發揮石墨烯的巨大優點。有缺陷的石墨烯并不完美，而科研人員卻挖掘出它內在的潛質，使實現其華美轉身，在不斷改進制備工藝來降低石墨烯加工成本的基礎上，石墨烯必將在環保除污、凈化環境方面大顯身手，在將來的市場競爭中將逐漸占據優點地位。

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