石墨烯纳米材料及其应用

石墨烯纳米材料及其应用

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墨

烯

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米

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及

其

应

用

二〇一七年十二月

目录

摘要 (4)

1引言 (4)

2石墨烯纳米材料介绍 (4)

3石墨烯纳米材料吸附污染物 (6)

3.1金属离子吸附 (6)

3.2有机化合物的吸附 (7)

4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用 (9)

4.1石墨烯基膜 (9)

4.2采用石墨烯材料进行膜改进 (10)

4.3石墨烯基膜在脱盐技术的应用 (11)

5展望 (12)

摘要

石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。

关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料

1引言

随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。

纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。

石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。2石墨烯纳米材料介绍

单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（Fig.1）。在石墨烯平面内，碳原子以六元环形式周期性排列，每个碳原子通过σ键与临近的三个碳原子

相连，S 、Px 和Py 三个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp 2杂化结构，具有

120°的键角。石墨烯可由石墨单层剥离而产生，最初是通过微机械剥离，使用胶

带依次将石墨粘黏成石墨烯来实现。Geim 和Novoselov 使用这种简单的方法生

产出了原始的单层石墨烯薄片，使其获得了诺贝尔物理学奖。

然而，微机械法制备石墨烯需要巨大的能量，并且不能用于大规模使用石墨

烯。为了能够大规模生产石墨烯最常见的方法是通过SiC 的热分解或过渡金属上

通过气相化学沉积（CVD ）合成石墨烯片。CVD 已显示为最有前途，廉价，可

扩展的方法，制备高品质的石墨烯。

较为成熟且应用最为广泛的一种石墨烯材料是氧化石墨烯（GO ）。GO

是石墨烯的氧化形式，在石墨烯晶格中显示出较多的含氧官能团（羧基，羟基，

羰基和环氧基）（Fig.1）GO 可以通过将石墨化学氧化成石墨氧化物并随后通过

超声波进行剥离而产生。用石墨生产GO 的最常见方法是1958年由Hummers

和Oman 首先开发的，涉及KMnO4作为从浓硫酸中提取氧化剂。从那以后，

提出了不同的反应来增加产量和减少有毒气体的排放，但KMnO 4仍然是GO 生

Fig. 1 石墨烯基纳米材料的结构和主要性能概述

产中使用最多的氧化剂。

3石墨烯纳米材料吸附污染物

农业和工业活动的迅速增长导致释放到环境中的污染物数量急剧增加。这些污染物性质各异，是一个重大的环境和公共卫生问题。因此，为了有效地去除空气和水中的污染物，开发了诸多技术。在这些技术中，吸附是一种从水环境中去除污染物的快速，廉价而且有效的途径。吸附是污染物（被吸附物）通过物理化学相互作用被纳米材料（吸附剂）捕获的过程。在此，本文描述了石墨烯基纳米材料作为吸附剂用于除去无机，有机和气体污染物。此外，本文介绍了石墨烯材料作为吸附剂去除污染物的吸附机制和优缺点。

3.1金属离子吸附

金属是一种常见的污染物，可以间接地进入水生环境和饮用水供应系统。通常金属水污染主要来自自管道，焊接接头和管道材料的腐蚀。因此，相关单位对有毒金属在水中浓度采取了严格的控制。例如，美国环境保护局（EPA）的规定，饮用水中铜（Cu）和铅（Pb）的允许浓度分别为1.3 ppm和15 ppb。

通常，活性炭由于其对各种污染物具有优异的吸附能力而被用作高效的吸附剂。但是由于活性炭的生产成本高，难以再生，所以活性炭的使用受到限制。基于碳纳米管和石墨烯材料的碳质吸附剂已被开发作为常规吸附剂的替代品。碳纳米材料已被选为建立新型吸附剂的平台，主要归于其高的表面积，无腐蚀性，表面可修饰性等。

对于碳纳米管，其吸附能力主要取决于碳纳米管本身的化学性质，表面积和氧官能团的数量。金属离子吸附在碳纳米管表面的机制与金属离子和含氧基团之间的静电相互作用和吸附-沉淀有关。这些含氧基团为碳纳米管表面提供了负的残余电荷。

与CNT相比，石墨烯基材料作为吸附剂的使用具备一下几个优点。首先，单层石墨烯材料具有两个可用于吸附污染物的表面。与此相反，碳纳米管内壁不易被吸附物吸附。其次，GO可以通过石墨的化学剥离容易地合成，而不需要使用复杂的装置或金属催化剂制备。因而得到的石墨烯材料不含催化剂残余物，不需要进一步的纯化步骤。且就GO而言所制备的材料已经具有大量的含氧官能