石墨烯复合材料

石墨烯复合材料

石墨烯是单层碳原子通过sp2杂化形成的蜂窝点阵结构，属于二维原子晶体，此独特的空间结构，给石墨烯带来了优异的电学、力学、热学和比表面积大等性质。但是二维石墨烯由于片层之间具有较强的π-π作用和范德华力，使得石墨烯容易聚集形成石墨，限制了石墨烯在各个领域中的应用。因此，为了防止石墨烯的聚集和拓展石墨烯的应用，科研工作者将石墨烯与高分子或者无机纳米粒子进行复合，从而得到具有优异性能的复合材料。石墨烯的复合材料具有化学稳定性高、比表面积大，易回收等特点，在环境治理方面受到了科学家的青睐。

一、石墨烯复合材料的分类和制备

1、石墨烯-高分子复合材料

石墨烯-高分子复合材料，石墨烯的独特的结构和性能，对于改善高分子的导电性、热性能和吸附能力等方面有非常大的应用价值。制备石墨烯-高分复合材料最直接的方法是将高分子溶液与石墨烯的溶液混合，其中高分子和填充物在溶剂中的溶解能力是保证最佳分散度的重要因素。因此，在溶液混合时，可以将石墨基质表面功能化来提高它在多种溶剂中的溶解度。例如，异氰酸

苯酯修饰的GO在在聚苯乙烯的DMF溶液中表现出了较好的溶解度。

2、石墨烯-无机纳米粒子复合材料

无机纳米粒子存在着易于团簇的问题，并且选择合适的载体也是其广泛应用需要解决的问题。石墨烯具有多种优异的性能，并且具有较大的比表面积，可以成为无机纳米材料的载体。无机纳米粒子可以将易于团簇的石墨烯片层分开，防止团簇，从而两者形成石墨烯-无机纳米粒子新型的复合材料，这些材料广泛的应用于检测、催化和气体存储等方面。目前已报道的有负载的金属纳米粒子Ag、Au、氧化物纳米粒子ZnO和Fe3O4等。

3、其它石墨烯复合材料

石墨烯不仅仅可以和高分子、无机纳米材料复合，还可以同时结合高分子、纳米粒子和碳基材料中的一种或者两种，形成多元的含有石墨烯的复合材料。这类材料具有多功能性，用于超级电容器或者传感器等。

二、石墨烯复合材料在水治理的应用

1、吸附作用

碳材料中活性碳和碳纳米管被广泛的应用于水净化领域，将石墨烯与其它化合物进行复合，这些复合材料在吸附污染物上有非常高的效率，可以应用于染料、多芳香环烃和汽油的吸附。比如利用磁性-壳聚糖-石墨烯的复合材料可以大大提高去除溶液中的亚甲基蓝的效率，吸附能力达到

95.16mg/g。石墨烯复合物的高比表面积和多孔性在吸附染料方面起到了关键的作用，独特的结构有利于染料分子快速扩散，使得染料分子高效去除。石墨烯具有低成本、溶液的可加工性和独特的结构，也常被用于制备去除石油泄漏和化学品排放的超疏水和超亲油的材料。研究已经报道，将石墨烯与三聚氰胺复合可以形成石墨烯的多孔折叠复合材料，此材料具有超疏水的性质，能够用于吸附油和有机污染物。这种超疏水的材料应用的优势是，在没有外加作用力的情况下，就可以将其进行富集，从而可以循环使用。

2、光催化降解

石墨烯和石墨烯基的材料对于染料具有高的吸附能力，吸收谱带较宽，较高的电荷分离和电荷传输的性质，在光催化水处理方面具有非常好的应用前景。这些性质可以大大的提高石墨烯基复合材料的光催化转化的效率。①光催化降解金属离子：石墨烯作为基底提高体系的光催化效率，这是因为石墨烯的引入可以降低光生电子-空穴复合的几率，并且提高了对光的吸收能力，同时提高了材料的导电性能。②光催化降解有机污染物：水溶液中存在着许多有机污染物，例如油类、酚类、染料等。对于石墨烯复合物光催化降解，科研工作者普遍认为，是石墨烯的多孔结构和本身的电子转移性质是关键。

三、石墨烯复合材料在气体治理上的应用

对于大气中有害气体的处理，吸附是一种有效的治理方法。石墨烯的大比表面积和多孔的结构特点，以及其密度小，而且相比于其它的气体材料吸附剂是比较廉价，因此被广泛的用于大气环境处理方面。石墨烯的复合材料，主要是用于气体的吸附，气体反应和气体相分离方面。

1、气体吸附

已有报道，石墨烯可以用作CO2的存储材料。氮、氧、硫元素可以提高富碳材料的基本特征，这个性质可以提高酸性气体CO2的吸附量。Mishra和Ramaprabhu制备了聚苯胺-石墨烯复合材料进行可逆的CO2捕获，在11bar，25,50，100℃的条件下，其吸附量分别是75,47和31mmol/g，并且可以循环使用。除了原子掺杂，复合材料的多孔性和特殊的比表面积也是可以提高气体吸附量的因素，并且对于CO2有较高的选择性。

2、气体反应

石墨烯复合材料可以用于气体的吸附，而石墨烯本身含有许多的官能团，在吸附过程中，可以与一些类型的气体污染物反应。塞缪尔·兰开斯特设计了一种含有TiO2的氧化石墨烯的复合物涂层，利用TiO2的光催化活性和石墨烯的吸附能力，将其作为吸收并降解空气中污染物的自洁材料。

3、气体相分离

气体的分离和纯化是非常重要的工业过程，需要进一步的研究。膜材料是一种理想的气体分离材料，在分离的过程中没有任何的相分离，并且相对于其它材料更节省能源。石墨烯是一种理想的基底材料，由于其具有单分子高的机械性能的性质，并且其对于大部分的气体是惰性的，不发生反应