利用石墨烯進行功能化改性對不同物質吸附的研究進展

李立夏，郭越新，李 想

（1.華北理工大學藥學院，唐山 063210；2.吉林農業大學生命科學院，長春 130033）

近幾年來，工業化的迅速發展，大量含有重金屬、有機物的污水甚至有毒氣體未經處理排放到大自然中，對人類健康及環境產生重大的影響。目前，處理污水的方法主要是化學法、物理法和生物法等。吸附法由于操作簡便、費用低廉、不易造成二次污染等優勢[1]，越來越被廣泛應用。

石墨烯與傳統污水處理材料活性炭相比，它具有特殊的層狀和孔狀結構，其吸附能力是活性炭的成百上千倍。后來科學家們通過化學修飾改性，成功制造出許多種具有超高效吸附特性的石墨烯復合材料，使其對各種目標物達到很好吸附效果。并且能夠循環利用，大大降低了成本。本文先介紹了氧化石墨烯的制備，然后再通過石墨烯的功能化改性對放射性元素、金屬離子及氣體進行綜述。

1 功能化的石墨烯對放射性元素進行吸附研究

隨著核工業企業的快速興起，避免不了放射性元素及其污染物向自然界中排放，可通過食物鏈或直接危害人類健康。因此對放射性物質處理尤為至關重要。一些研究者通過石墨烯復合材料對一些放射性元素鈾（U）進行吸附研究，如表1所示。

李琰等人[5]研究了氧化石墨烯對U（Ⅵ），Th（Ⅳ）和Eu（Ⅲ）的吸附，實驗結果表明其對這三種元素均具有較強的吸附能力。常溫下對Eu（Ⅲ）的吸附容量達15.40 mg/g，離子強度對U（Ⅵ）在氧化石墨烯上的吸附影響顯著，對Th（Ⅳ）和Eu（Ⅲ）的影響較小。

表1 不同石墨烯復合材料對鈾（U）的吸附

2 功能化的石墨烯對石油工業污染物進行吸附研究

如今石油工業快速發展，所排放出來的廢水具有種類繁多，組成復雜，毒性較大等特點[6]。一些研究者通過制備石墨烯復合材料對一些元素進行吸附研究。

羅勇波等人[7]將氧化石墨烯（GO）經1，6-六亞甲基二異氰酸酯、樹枝狀大分子聚酰胺-胺化學接枝改性后，制得了吸附材料功能化的石墨烯，分別對Cd2+、Cr3+和Cu2+進行選擇吸附，其中對Cu2+吸附量最大，可達204 mg/g，這是由于石墨烯表面性能及負載在其表面的聚酰胺-胺樹枝狀大分子的螯合作用影響功能化石墨烯對重金屬離子的吸附選擇性，并且在pH值在4.5至6.5范圍內，對重金屬離子的吸附量較大。

檀夢婷等人[8]通過親核取代反應制備L-色氨酸功能化氧化石墨烯（GO/L-Trp）對Ni2+進行吸附，當吸附劑含量為10 mg，pH為8且吸附時間為480 min時，并對Ni2+的吸附百分率為88 %。

閆潔等人[9]通過制備β-環糊精-殼聚糖-氧化石墨材料對Mn（Ⅱ）進行吸附研究，結果顯示：該復合材料的用量為0.020 g/mL、吸附溫度為25 ℃、吸附時間為3h的條件下，對Mn（Ⅱ）離子的最大吸附率可達到95 %，最大吸附量為177.97 mg/g，并且在吸附過程中是自發且放熱的。并且可以解吸再生多次重復利用。

Sushanta等人[10]通過制備磁性殼聚糖-氧化石墨烯納米材料，對Cr（Ⅵ）進行吸附，實驗表明：在吸附過程中是自發吸熱反應，用Langmuir和Redlich–Peterson等溫吸附模型描述吸附數據，并且可用于第五次循環再生，保持吸附容量的92 %。

許曉琪等人[11]制備氧化石墨烯/殼聚糖復合海綿對銅、鉛離子進行吸附，實驗表明：在最優條件下，Cu2+和Pb2+的平衡吸附量分別可以高達1114.7 mg/g和4855.8 mg/g。

3 石墨烯及其功能化改性對氣體進行吸附研究

廢物處理焚燒和大量合成或生產產品，避免不了產生CO2等對地球不利的氣體。一些研究人員通過合成石墨烯復合材料對一些氣體進行吸附研究。

Zhou等人[12-13]將三聯吡啶與石墨烯復合，制備了對CO2具有較強吸附能力的復合物，對CO2的吸附質量分數達11.7 %，即12 mol/kg。

Paulla等人[14]用ab initio 證實了石墨烯納米線對NO2分子的吸附反應，并且驗證了石墨烯傳感器檢測極限是5個NO2分子。理論研究證明，由于石墨烯對NO2的吸附是化學吸附，因此會削弱石墨烯的SP3鍵從而使電導發生變化。

Diego等人[15]利用Fe摻雜的石墨烯納米片對CO2、CO、SO2、H2S 進行吸附，實驗表明：這些氣體以0.54-1.80eV的吸附能量化學吸附在其上，與本征石墨烯（0.08-0.28eV）相比，吸附強度至少提高了390 %。通過化學結合分析表明FeG與氣體相互作用的穩定性由Lewis酸堿相互作用所決定。

韓俊儒等人[16]制備了聚乙烯亞胺改性的氧化石墨烯復合材料（GPs），GPs吸附劑具有較高氨基含量，對CO2有較好的吸附效果，在273 K、3 MPa 條件下GPs對CO2的最大吸附量達到645 mg/g。

4 結束語

石墨烯可與其他化合物復合形成具有更高比表面積、高孔隙率和豐富表面官能團的復合材料，從而提高其活性，增強其吸附能力[17]。我們現在面臨著一個重要的問題是：石墨烯復合材料可以多次重復吸附-解吸，并使吸附物回收利用，使石墨烯復合材料具有多功能化，并且對不同種污染物具有高的吸附率，減少對環境的傷害。