石墨烯及其衍生物在水處理中的研究進展

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異特性。這些特性吸引國內外科研工作者開展與其相關的各領域研究，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展，詳細介紹了作為吸附劑和光催化劑的國內外研究成果并對其進行分析總結。

關鍵詞：石墨烯；吸附劑；光催化

1 介紹

工業、農業和居民對淡水的需求逐年增長，產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、無機和生物污染物，是一種重要的廢水處理技術。研究發現石墨烯具有優異特性，其比表面積高達2630m2/g[1]，可以為污染物提供豐富的吸附點位，成為新一代吸附劑的研究熱點。光催化技術能利用太陽光中的紫外線或可見光，可以節約污水處理的能耗。目前使用的常規光催化劑存在帶隙能量較大、電子-空穴對復合率高、量子效率低等缺點，石墨烯的比表面積大同時載流子遷移率高達200000cm2/（V·s）[1]，石墨烯成為新一代光催化劑的研究熱點。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域的應用研究進展，介紹了一些最新研究成果并進行分析。

2 石墨烯及其衍生物作為吸附劑

納米吸附劑具有相當大的污染物結合能力，能夠吸附具有不同分子大小、疏水性和形態特性的污染物，吸附飽和后進行化學再生。納米顆粒具有較高的表面積，與不同化學物質相互作用的活性位點數較多。目前，一些科研工作者將研究熱點集中在石墨烯，由于其獨特的性質，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優點：（1）單層石墨烯材料具有兩個平面可用于污染物吸附。而碳納米管的內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剝離容易地生產制備，具有大量的含氧官能團，并且不需要額外的酸處理以賦予GO親水性[2]。這些官能團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，優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合形成復合材料。具有GO和金屬氧化物的復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研究結果表明石墨烯及其衍生物復合材料吸附劑均比未改性的常規吸附劑的吸附量高。

3 石墨烯及其衍生物作為光催化劑

由于常規的生物處理方法在降解有毒有機廢水方面無效，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注。通常，三個因素對于復合材料的光催化活性是至關重要的，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。目前的常規光催化劑存在帶隙能量較大、電子-空穴對復合率高等缺點，石墨烯的比表面積大同時載流子遷移率高，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對可見光的響應。另一方面，由于石墨烯的獨特性質，可以改善光載流子的分離和轉移。結果表明，可見光輻照下rGO-ZnCdS光催化活性顯著，至少有三個原因。首先，rGO-ZnCdS增強了有機染料分子的吸附；第二，rGO-ZnCdS明顯延長光敏響應范圍；最后，形成的rGO-ZnCdS異質體對其光活性具有協同作用。

4 結束語

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約大量能耗。但是有文獻對石墨烯基材料在環境中的轉化和毒理學影響進行了評述，因此必須強調對石墨烯材料的環境風險進行仔細評估的重要性。還需要進行詳細的生態毒理學評估和生命周期分析，使我們能夠利用石墨烯的性質，同時最大限度地減少對人類健康和環境影響。

參考文獻

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