石墨烯及其復合材料在環境領域中的應用研究進展

郝巧娥 楊霈霖

摘要：石墨烯是一種具有比表面積大、載流子遷移率高、機械強度高等優異特性的二維納米材料。因其在納米技術和環保方面的巨大潛力，自2004年被發現以來即受到眾多領域的關注。首先介紹了石墨烯的優異特性及其制備方法；其次重點闡述了十幾年來石墨烯及其復合材料在光催化、電催化、Fenton、微生物燃料電池、海水淡化、吸附等環境領域中的國內外研究進展及主要成果，并總結了在以上領域中的作用機理；最后對其在環境領域中的應用前景進行展望。

關鍵詞：石墨烯；復合材料；環境；應用研究

引言

當今社會工業和技術的快速發展給人們帶來便利的同時，也不可避免地造成了環境污染。各國學者致力于研發新的技術或工藝，以期提高污染物的去除效率，石墨烯及其復合材料優越的物理化學性能使其成為解決環境污染問題最具潛力的手段之一，目前備受環保領域關注。

1石墨烯的制備方法

石墨烯的制備方法主要包括：微機械剝離法、氧化石墨還原法、化學氣相沉積法、外延生長法、電化學方法等，不同方法制得的石墨烯具有不同的理化性質。機械剝離法顯然不能滿足工業化需求；氧化石墨還原法雖然能夠以相對較低的成本制備出大量的石墨烯，然而石墨烯的電子結構以及晶體的完整性均受到強氧化劑嚴重的破壞，使其電子性質受到影響，一定程度上限制了其在微電子器件方面的應用。化學沉積法雖然可以制得大面積且性能優異的石墨烯，但現階段工藝的不成熟以及較高的成本限制了其大規模的應用。外延生長法制備的石墨烯表現出較高的載流子遷移率等特性，但觀測不到量子霍爾效應。電化學法可制備出離子液體功能化的石墨烯，但制備的石墨烯片層大于單原子層厚度。因此大量、低成本制備出高質量的石墨烯材料仍然是現在研究的熱點，也是未來研究的一個重要方向。

2石墨烯及其復合材料在環境領域的應用

2.1光催化領域

在催化降解污染物技術中，光催化處理技術以其清潔、無污染、反應溫度低且能利用太陽能等優點而備受推崇。但是一些常規光催化劑，如TiO2、ZnO、SnO2、Bi2WO6、V2O5、Cu2O等，受激發產生的電子-空穴對復合率高，致使其量子效率和光催化活性低，并且這些常規光催化劑僅能利用紫外光（UV），浪費了太陽光中的可見光光源。因此，為提高催化劑的催化活性，部分研究嘗試將石墨烯與催化劑進行復合，制備新型催化材料。復合材料具有較高的催化性能與可見光利用率，不僅可以用于廢水中污染物的處理，還能應用于空氣污染控制。WANG等；研究了石墨烯含量對光催化降解空氣中丙酮的影響，認為其最佳質量分數為0.05%，與TiO2和商業P25相比，復合材料的光催化活性分別提高1.7倍和1.6倍？石墨烯主要從以下3個方面來提高負載型光催化劑的性能：石墨烯具有高導電性？高載流子遷移率的性質，能迅速傳導光生電子，降低常規催化劑電子-空穴對的復合概率，延長光生電子-空穴對的壽命；石墨烯的比表面積大，為光催化反應提供豐富的反應位點，促使電子-空穴對產生羥基自由基和活性氧，進而提高光催化效率石墨烯在一定程度上能減小催化劑的禁帶寬度，使可利用光線擴增至長波長光區，從而提高催化劑對可見光的利用率。

2.2電催化領域

電催化技術因其反應條件相對溫和、無副產物、催化速率高等優點被廣泛應用于去除難降解污染物。三維電極體系在傳統二維電催化系統中加入了粒子電極，通過提高體系的相對反應面積，增加活性點位而提高系統的處理效率。現階段，國內外對三維電極體系的研究主要集中在新型粒子電極的制備方面。以石墨烯代替常規粒子電極（包括活性炭、多孔陶瓷、氧化鋁等多孔材料）應用于三維電極體系中的研究已逐漸開展。

2.3微生物燃料電池（MFC）領域

MFC是一種利用微生物將廢水中的有機物氧化分解，從而將化學能轉換為電能的生物反應器，被認為是一種在污水凈化的同時實現能源儲存的清潔技術。電極材料決定MFC的產電性能和成本。Pt及其合金對催化活性高、過電位低，被廣泛用作MFC陰極催化劑，但其資源稀少、價格昂貴、ORR動力學慢等缺點，嚴重影響MFC的規模化生產。因此，亟需開發ORR速率高的低成本陰極催化劑，研究發現，純石墨烯的ORR催化活性較低，不適合直接用作MFC的陰極催化劑、LIN等；將石墨烯進行改性制備出NG-900，結果表明，其ORR催化活性較高，在電解液中耐甲醇毒化能力？穩定性均超過常規Pt/C催化劑，在氮摻雜石墨烯中，氮原子與碳原子具有不同電負性，碳原子之間的大π鍵與氮原子的孤對電子可以形成離域共軛體系，從而改變碳原子的電荷分布和自旋密度來改善其吸附特性；在氮摻雜石墨烯表面能夠產生有利于ORR 4電子轉移的“活性位點”，因此提高了氮摻雜石墨烯的催化活性。石墨烯的優異特性有利于電解質擴散到陰極，并為電化學過程提供較大的比表面積，進而提升MFC的性能？

2.4海水淡化領域

沿海地區水資源短缺是制約其經濟發展及環境保護的關鍵問題，海水淡化技術讓水源實現了開源增量，為沿海地區的循環經濟發展奠定了基礎。目前，世界上海水淡化系統主要采用的是反滲透（RO）技術，約占全球海水淡化處理系統的45%。RO裝置中使用的常規聚合物膜易結垢，在高壓下其通量下降速率快，且對高溫、酸堿、氯和有機溶劑的耐受性低，這些問題的存在促使了新型膜組件的研發。近年來，石墨烯因其獨特的超薄結構？高機械強度而被認為是海水脫鹽RO膜的最佳材料。

2.5吸附領域

常用的吸附劑有活性炭、粘土、殼聚糖活性氧化鋁等，然而這些吸附劑都存在不足，如吸附容量小、不易分離回收、再生效率低等、石墨烯自問世以來，由于其較強的吸附能力，已成為吸附領域研究的熱點。石墨烯對重金屬具有優異的吸附能力。YOON等合成磁鐵礦/非氧化石墨烯復合材料（M-nOG），作為吸附劑去除廢水中的砷。吸附24h后，M-nOG對As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的吸附量分別為38、14mg/g，M-nOG的吸附能力遠高于之前報道的磁性納米顆粒吸附劑（如磁性多顆粒納米團簇、赤鐵礦包裹磁鐵礦顆粒、商業納米磁鐵礦。研究發現，表面絡合作用使亞砷酸鹽被M-nOG高效吸附；M-nOG對砷酸鹽的吸附效率更高。金屬離子一般受到表面絡合？靜電引力和表面沉淀等共同作用而被吸附到石墨烯上。

3研究結論

石墨烯及其復合材料能夠在環境領域得以應用主要依賴于以下幾方面的優異特性：（1）石墨烯的超大比表面積有助于吸附污染物并能提供豐富的反應位點；（2）高導電性能促進電子轉移，有利于石墨烯及其復合材料光電化學反應的進行，從而提高光電催化活性。（3）石墨烯表面具有的官能團與摻雜的元素之間能夠形成協同作用，提高了與目標污染物的反應速率。與常規材料相比，石墨烯及其復合材料的性能明顯提升，在環境領域的應用已經取得了一定的成效。但是，由于復合材料制備成本和穩定性等因素的制約，目前石墨烯及其復合材料大部分仍停留在在實驗室研究階段，未在實際工程中大規模應用。因此成本低、品質高的石墨烯及其復合材料仍有待研發。石墨烯復合材料的改性機理需要深入研究，為復合材料改性提供理論依據。隨著科學技術的發展，石墨烯及其復合材料將會在環境領域發揮更大的作用，進一步提高環境污染治理效率。

4結語

科技的進步是一把雙刃劍，近年來隨著石墨烯的大量生產與使用，其不可避免會進入到水體、土壤、大氣及生物體中，從而給生態環境和人類健康帶來風險。GUO等成功合成了14C同位素標記的石墨烯，發現石墨烯能進入到斑馬魚體內，并且有可能將石墨烯轉移給下一代。這有可能會給人類健康、生態環境帶來風險，因此需要引起足夠的重視。因此，需要對石墨烯在環境中的行為和歸趨進行深入研究，科學評價石墨烯帶來的環境風險，為石墨烯的合理利用、排放、后期處理提供參考依據。

參考文獻：

[1]曹艷艷.石墨烯的制備、功能化及在化學中的應用[J].河南科技，2014（11）：71.