石墨烯及其衍生物在水處理中的研究進(jìn)展

孟海停

摘 要：石墨烯具有比表面積大、載流子遷移率高等眾多優(yōu)異特性。這些特性吸引國內(nèi)外科研工作者開展與其相關(guān)的各領(lǐng)域研究，并取得一定的研究成果。文章綜述了石墨烯及其衍生物在水處理中的研究進(jìn)展，詳細(xì)介紹了作為吸附劑和光催化劑的國內(nèi)外研究成果并對其進(jìn)行分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：石墨烯；吸附劑；光催化

1 介紹

工業(yè)、農(nóng)業(yè)和居民對淡水的需求逐年增長，產(chǎn)生的廢水使全球大量水資源受到污染，這些受污染的廢水亟需解決。吸附劑能去除可溶性和不溶性的有機(jī)、無機(jī)和生物污染物，是一種重要的廢水處理技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯具有優(yōu)異特性，其比表面積高達(dá)2630m2/g[1]，可以為污染物提供豐富的吸附點(diǎn)位，成為新一代吸附劑的研究熱點(diǎn)。光催化技術(shù)能利用太陽光中的紫外線或可見光，可以節(jié)約污水處理的能耗。目前使用的常規(guī)光催化劑存在帶隙能量較大、電子-空穴對復(fù)合率高、量子效率低等缺點(diǎn)，石墨烯的比表面積大同時(shí)載流子遷移率高達(dá)200000cm2/（V·s）[1]，石墨烯成為新一代光催化劑的研究熱點(diǎn)。本文主要綜述分析石墨烯及其衍生物在水處理中吸附和光催化領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，介紹了一些最新研究成果并進(jìn)行分析。

2 石墨烯及其衍生物作為吸附劑

納米吸附劑具有相當(dāng)大的污染物結(jié)合能力，能夠吸附具有不同分子大小、疏水性和形態(tài)特性的污染物，吸附飽和后進(jìn)行化學(xué)再生。納米顆粒具有較高的表面積，與不同化學(xué)物質(zhì)相互作用的活性位點(diǎn)數(shù)較多。目前，一些科研工作者將研究熱點(diǎn)集中在石墨烯，由于其獨(dú)特的性質(zhì)，使石墨烯及其衍生物成為污水處理的新可能。與碳納米管相比，石墨烯材料作為吸附劑有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）單層石墨烯材料具有兩個(gè)平面可用于污染物吸附。而碳納米管的內(nèi)壁不被吸附物所接近。（2）石墨烯氧化物（GO）和還原氧化石墨烯（rGO）可以通過石墨的化學(xué)剝離容易地生產(chǎn)制備，具有大量的含氧官能團(tuán)，并且不需要額外的酸處理以賦予GO親水性[2]。這些官能團(tuán)是吸附金屬離子的主要原因之一。

眾多研究使用GO作為金屬離子的吸附劑，GO具有與金屬離子相互作用的含氧官能團(tuán)，優(yōu)于原始石墨烯對金屬離子的吸附。GO和石墨烯納米片（GN）可以與金屬氧化物結(jié)合形成復(fù)合材料。具有GO和金屬氧化物的復(fù)合材料通常具有特定的特征，并被用作去除不同污染物的有效吸附劑。如表1研究結(jié)果表明石墨烯及其衍生物復(fù)合材料吸附劑均比未改性的常規(guī)吸附劑的吸附量高。

3 石墨烯及其衍生物作為光催化劑

由于常規(guī)的生物處理方法在降解有毒有機(jī)廢水方面無效，在紫外線或可見光下，TiO2顆粒的光催化降解污染物得到了極大的關(guān)注。通常，三個(gè)因素對于復(fù)合材料的光催化活性是至關(guān)重要的，即污染物分子的吸附，光照吸收和電荷輸送分離。使用TiO2作為光催化劑降解有機(jī)污染物已被廣泛研究，但是TiO2僅在紫外線照射下活化，極大地限制了太陽能的有效利用。目前的常規(guī)光催化劑存在帶隙能量較大、電子-空穴對復(fù)合率高等缺點(diǎn)，石墨烯的比表面積大同時(shí)載流子遷移率高，一些科研工作者將石墨烯用于光催化劑的研究。

周琪等[9]采用乙醇溶劑熱法合成rGO-TiO2復(fù)合材料光催化劑，紫外光照射下1h將甲基橙溶液降解98%，比未負(fù)載的TiO2催化活性顯著提高。Shen等[10]通過水熱法制備了rGO-ZnCdS納米顆粒用于降解有機(jī)染料甲基橙和羅丹明B（RhB），石墨烯的引入使帶隙能量變窄和增強(qiáng)對可見光的響應(yīng)。另一方面，由于石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)，可以改善光載流子的分離和轉(zhuǎn)移。結(jié)果表明，可見光輻照下rGO-ZnCdS光催化活性顯著，至少有三個(gè)原因。首先，rGO-ZnCdS增強(qiáng)了有機(jī)染料分子的吸附；第二，rGO-ZnCdS明顯延長光敏響應(yīng)范圍；最后，形成的rGO-ZnCdS異質(zhì)體對其光活性具有協(xié)同作用。

4 結(jié)束語

石墨烯及其衍生物能提高吸附性能，將會成為新一代高效吸附劑，石墨烯及其衍生物促進(jìn)光催化活性提高對太陽光能的有效利用，將會在廢水處理中節(jié)約大量能耗。但是有文獻(xiàn)對石墨烯基材料在環(huán)境中的轉(zhuǎn)化和毒理學(xué)影響進(jìn)行了評述，因此必須強(qiáng)調(diào)對石墨烯材料的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行仔細(xì)評估的重要性。還需要進(jìn)行詳細(xì)的生態(tài)毒理學(xué)評估和生命周期分析，使我們能夠利用石墨烯的性質(zhì)，同時(shí)最大限度地減少對人類健康和環(huán)境影響。

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