石墨烯及其复合材料在水处理中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)同济大学环境科学与工程学院 作者:肖蓝

  石墨烯(graphene,GE)是一种由sp2杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维碳质新材料,具有比表面积大、电子迁移率高和化学稳定性强等特性。本文重点总结了近年来石墨烯及其复合材料应用于水处理吸附剂及光催化剂两个方面的研究进展。石墨烯及其复合材料对于处理重金属、有机污染物等污染物质的吸附效果好,吸附容量高;与光催化材料结合后,石墨烯由于其独特的物理化学特性有效增强了复合材料的光催化特性。最后对各种石墨烯及其复合材料在水处理中的应用作出了评价,同时对它们在水处理中的应用前景做了展望。

1、引言

  石墨烯(graphene,GE)是一种由sp2杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维碳质新材料。2004年,英国曼彻斯特大学物理和天文学系的Geim和Novoselov等用胶带剥离石墨晶体首次获得了石墨烯,并由此获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯物理化学性质独特,是世界上最坚固的材料之一,理论比表面积高达2630m2/g,具有良好的导热性和高速的电子迁移率(200000cm2/(V·s)),可作为电极材料、传感器、储氢材料。同时,用于制备石墨烯及其复合材料的石墨来源广泛,石墨烯及其复合材料,相比碳纳米管,价格较低廉,制备过程简单,许多学者开始研究石墨烯及其复合材料在水处理中的应用。图1为单层石墨烯分子模型。

单层石墨烯分子模型

图1 单层石墨烯分子模型

2、石墨烯的制备和性质

  近年来,石墨烯制备已经取得了积极的进展,石墨烯的制备过程通常是石墨-氧化石墨-氧化石墨烯-石墨烯,其制备过程见图2。常见的石墨烯类碳材料包括石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯等。石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法(micromechanicalcleavage)、化学气相沉积法(chemicalvapordeposition)、晶体外延生长法(epitaxialgrowth)、胶体悬浮液法(colloidalsuspension)等。在水处理中应用的石墨烯,考虑到制备方法、制备成本及规模,大多采用化学方法制备,其中氧化还原法应用最为广泛。氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)通常是由石墨经化学氧化、超声制备获得。因石墨来源广泛,价格低廉,氧化石墨烯便于大规模生产。同时,氧化石墨烯拥有大量的羟基、羧基、环氧基等含氧基团,是一种亲水性物质,与许多溶剂有着较好的相容性,非常适合在水处理中应用。

  目前报道的常用的石墨氧化方法主要有Brodie法、Standenmaier法以及Hummers法。其基本原理都是先用强酸处理石墨,形成石墨层间化合物,然后加入强氧化剂将其氧化。其中使用浓H2SO4、NaNO3及KMnO4作氧化剂的Hummers法最为常用,该方法缩短了制备的时间,提高了安全系数,水处理应用中多采用该方法。氧化石墨烯可以通过化学法(利用还原剂如水合肼,二甲肼,硼氢化钠等)、热剥离法、紫外光辐射法、微波法等方法还原成石墨烯。将氧化石墨烯表面的含氧基团部分还原后得到还原氧化石墨烯(reducedgrapheneoxide,RGO),提高了其表面电势,相比氧化石墨烯,对于水中阴离子污染物的吸附能力有所增强。

还原氧化法制备石墨烯路线示意图

图2 还原氧化法制备石墨烯路线示意图

5、总结与展望

  石墨烯分散性不好在水溶液中应用受到限制,而氧化石墨烯表面含有羟基、羧基、环氧基等含氧基团,亲水性较好,表面的负电荷较高,对于处理金属离子和带正电荷的染料废水均具有较好的效果。还原氧化石墨烯表面的含氧基团被部分还原,提高了材料的表面电势,可处理表面带负电荷的有机染料废水及部分阴离子污染物。石墨烯及其复合材料在光催化性能方面能起到有效作用,主要归结为以下三方面。首先,比表面积大,增强复合材料的吸附能力。其次,较高的电子传递能力,可作为电子受体,延缓电子-空穴对的复合,增强复合材料的光催化活性。最重要的是石墨烯使复合材料的光谱响应拓展至可见光区,降低光催化材料的能带间隙。

  从目前的研究来看,石墨烯在水处理领域应用的主要突破在于材料、化学和环境治理的交叉研究。研究新型的石墨烯复合材料主要是依据材料本身去除污染物的特性,通过与石墨烯类碳材料复合,来增强材料在吸附、电子传递及还原等方面的能力。石墨烯及其复合材料去除污染物的机理目前还不清楚,从机理出发探求石墨烯基复合材料对水中重金属、无机物、有机污染物,特别是新型难降解污染物的去除有较大的研究空间。此外,石墨烯及其复合材料的稳定性还需提高,放量制备稳定的石墨烯复合材料也是石墨烯广泛应用于水处理的难点问题。易于分离、环境友好的磁性石墨烯复合材料在水处理中的应用具有广阔的发展前景,但是石墨烯复合材料大量、广泛地应用到水处理工程中仍需时日。

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