新型石墨烯材料在水資源凈化中的應(yīng)用

楊慶鳳 王志輝 李建華

摘 要：石墨烯具有超大的比表面積和碳材料良好的化學(xué)穩(wěn)定性，從而具有作為水中污染物吸附劑的可能性。因此，近幾年應(yīng)用石墨烯材料作為吸附劑的研究也日趨增多。本文綜述了近年來一些新型石墨烯材料作為吸附劑的研究進(jìn)展，并對(duì)石墨烯材料在水資源凈化中的應(yīng)用提出了展望。

關(guān)鍵詞：石墨烯 吸附 凈化

中圖分類號(hào)：O613 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（b）-0090-02

石墨烯是單層碳原子組成的六角形蜂巢狀結(jié)構(gòu)，是一種新型二維碳納米材料。學(xué)術(shù)界一直認(rèn)為單層石墨烯無法獲得，直到2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Andre Geim教授的研究小組首次成功地從石墨中制備出單層石墨烯而引起了學(xué)術(shù)屆的廣泛關(guān)注[1]。由于石墨烯是由單層碳原子緊密排列而成，其厚度只有頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一，可稱為最薄的二維材料；同時(shí)，碳原子以sp2雜化軌道與其他碳原子相連，形成穩(wěn)定的六元環(huán)結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯許多特殊的物理化學(xué)性能，使其迅速成為材料化學(xué)研究的前沿。

1 石墨烯作為吸附材料的優(yōu)勢(shì)

石墨烯作為一種碳納米材料，用作吸附材料具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）碳材料的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好；（2）超大的比表面積理論上具有超大的吸附容量；（3）石墨烯碳原子sp2雜化形成的離域大π鍵可以與目標(biāo)物形成π-π共軛作用而相互吸附；（4）石墨烯制備過程中形成的氧化石墨烯的表面含有豐富的活性基團(tuán)，便于材料的功能化改性；（5）制備方法多種多樣，并且能夠大量生產(chǎn)，使用成本較低。

2 新型石墨烯材料對(duì)水中污染物的吸附

2.1 功能化改性石墨烯材料

盡管石墨烯具有理論上的巨大吸附容量，然而片層石墨烯之間很容易發(fā)生堆積，導(dǎo)致石墨烯的吸附位點(diǎn)減少，影響石墨烯的吸附容量，同時(shí)，石墨烯作為碳材料的疏水性使其在水中的分散性很差，難以直接用作水中污染物的吸附劑。所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常使用的是氧化石墨烯。氧化石墨烯的表面帶有大量的含氧基團(tuán)，用作水相中吸附材料時(shí)具有良好的分散性。但氧化石墨烯表面的含氧基團(tuán)導(dǎo)致吸附位點(diǎn)的減少從而導(dǎo)致吸附容量的下降，而氧化石墨烯離域大π鍵的破壞也導(dǎo)致吸附能力變?nèi)酢榻鉀Q這個(gè)難題，學(xué)者們通常利用在氧化石墨烯表面的活潑含氧基團(tuán)上枝接不同的親水基團(tuán)，然后再還原氧化石墨烯的方法。親水基團(tuán)的引入可以保證改性石墨烯材料在水中具有較好的分散性，而還原氧化石墨烯可以在一定程度上修復(fù)氧化石墨烯遭到破壞的離域大π鍵，同時(shí)增加吸附位點(diǎn)，增強(qiáng)改性材料的吸附能力。目前，已經(jīng)報(bào)道引入的親水基團(tuán)主要有磺酸[2]、EDTA[3]、二胺[4]等。Zhao等[5]利用表面活性劑膽酸鈉改性多層石墨烯材料，并測(cè)試了表面活性劑改性后石墨烯材料對(duì)有機(jī)污染物菲的吸附能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改性后的石墨烯材料由于表面活性劑占據(jù)了一部分吸附位點(diǎn)而引起吸附量的下降。然而在超聲波的作用下，表面活性劑的親水性能使得改性石墨烯材料易于剝落為單層石墨烯，并在水中有較好的分散性，改性多層石墨烯材料剝落為單層石墨烯增加了新的吸附位點(diǎn)，從而對(duì)有機(jī)污染物菲的吸附能力增強(qiáng)。Gao[6]等提出了一種采用聚多巴胺改性石墨烯的方法，該方法使用多巴胺同時(shí)作為還原劑和表面改性劑，利用多巴胺的自聚合與石墨烯材料的自組裝一步完成制備得到聚多巴胺改性的功能化石墨烯材料。該材料依托表面聚多巴胺豐富的功能化基團(tuán)和巨大的比表面積，對(duì)一系列污染物（重金屬、合成染料、芳香族污染物）都具有較高的吸附容量且吸附完成后很容易從水相中分離。同時(shí)，通過改變吸附條件可以實(shí)現(xiàn)材料的再生。

2.2 石墨烯納米復(fù)合材料

除去功能化改性石墨烯材料，另外一種新型的石墨烯吸附材料為石墨烯納米復(fù)合材料。目前研究較多的是磁性金屬氧化物納米顆粒與氧化石墨烯生成的復(fù)合材料。在氧化石墨烯中引入磁性金屬氧化物納米顆粒，可以在一定程度上減少石墨烯之間的堆積，增加吸附位點(diǎn)。同時(shí)，磁性金屬氧化的引入可以通過外部磁鐵的作用實(shí)現(xiàn)吸附材料的快速分離。Zhou等[7]利用溶劑熱合成法制備了包含F(xiàn)e3O4磁性納米顆粒的石墨烯納米復(fù)合材料。該材料對(duì)500μg/L Cr（VI）溶液中Cr離子的吸附率在5min內(nèi)可以達(dá)到85%。

3 結(jié)語

如何發(fā)揮石墨烯材料的自身優(yōu)勢(shì)使其成為一種理想的污染物吸附材料一直是許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前為止，雖然該類材料的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但要想獲得比較理想的吸附材料依然有很長(zhǎng)的路要走：（1）目前制備的材料吸附容量依舊不夠高；（2）制備的材料僅對(duì)一種或個(gè)別幾種污染物有較好的吸附效果，不能滿足實(shí)際廢水的凈化。因此，不斷開發(fā)新的石墨烯功能化改性方法及制備新型石墨烯納米復(fù)合材料是許多學(xué)者依舊致力研究的課題。

參考文獻(xiàn)

[1] K.S.Novoselov，A.K.Geim，S.V.Morozov，et al.Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science，2004（306）：666-669.

[2] Y.Shen，B.L.Chen.Sulfonated Graphene Nanosheets as a Superb Adsorbent for Various Environmental Pollutants in Water[J]. Environmental Science & Technology，2015， 49（12）：7364-7372.

[3] I.E.M.Carpio，J.D.Mangadlao，H.N.Nguyen，et al.Graphene oxide functionalized with ethylenediamine triacetic acid for heavy metal adsorption and anti-microbial applications[J].Carbon，2014（77）：289-301.

[4] M.H.Alonso，A.A.Abdala，M.J.McAllister，et al.Intercalation and Stitching of Graphite Oxide with Diaminoalkanes[J].Langmuir，2007， （23）：10644-10649.

[5] J.Zhao，Z.Y.Wang，Q.Zhao，et al.Adsorption of Phenanthrene on Multilayer Graphene as Affected by Surfactant and Exfoliation[J].Environmental Science & Technology，2014（48）： 331-339.

[6] H.C.Gao，Y.M.Sun，J.J.Zhou，et al.Mussel-Inspired Synthesis of Polydopamine-Functionalized Graphene Hydrogel as Reusable Adsorbents for Water Purification[J].ACS Applied Materials &Interfaces;，2013（5）：425-432.

[7] L.Zhou，H.P.Deng，J.L.Wan，et al.A solvothermal method to produce RGO-Fe3O4hybrid composite forfast chromium removal from aqueous solution[J].Applied Surface Science，2013（283）：1024-1031.