石墨烯碳分子筛

石墨烯相关研究炙手可热

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，将会在新一轮的工业科技领域引发一轮革命。为此，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫也因此共同获得2010年世界诺贝尔物理学奖。石墨烯是人类发现的首个二维材料，只有一个碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，虽然石墨烯仅有一个原子的厚度，但它既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。而其最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。同时它具有非常好的导热性、电导性、透光性，而且具有高强度、超轻薄、超大比表面积等特性，又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料。目前，石墨烯的相关研究已在全球炙手可热。其特性拥有颠覆诸多应用领域的潜力，被视作将“彻底颠覆21世纪”的材料。目前，曼彻斯特大学的石墨烯研究覆盖了诸多领域，如二维材料的特性等基础研究，在电子产品领域的应用研究，以及涂层、传感器、生物医药、电子打印等领域的应用研究，因此，石墨烯有潜力将人们日常生活中所用到的诸多设备引领至一个全新的时代。

我们选择使用石墨烯材料来改善饮用清洁水作为主课题。我国大部分地区的饮用水源均为地下水，目前现有的水处理技术无法彻底清除水中抗生素，因此，地表水含抗生素的危害不可小视。虽然检测出的抗生素只有痕量水平，但是长期饮用仍会影响人体免疫系统，降低机体免疫力，形成耐药抗药体质，同时微量的抗生素可能影响人体肠道细菌平衡。且部分抗生素具有毒性，会损害人的肝、肾、神经系统等。此外，抗生素长期高浓度存在于地表水中，会对地表微生物链起到杀伤作用，最终威胁自然生态环境。因此，如何去除地表水中的抗生素，保证人们日常饮用水的卫生安全成为当前亟需解决的问题。

人类进行水处理的方式已经有相当多年历史，物理方法包括利用各种孔径大小不同的滤材，利用吸附或阻隔方式，将水中的杂质排除在外。活性炭是吸附方式中较重要的材料，具有吸附性能良好、化学稳定性强、耐高温水浸、用法灵活多变，费用低廉等优势，在水处理中的应用已从最初的去除水中的臭味发展到处理一系列特定的有机污染物，例如氯化有机物、脂肪族和芳香族碳水化合物、消毒副产物前体物等。而阻隔方法则是将水通过滤材，让体积较大的杂质无法通过，进而获得较为干净的水。对此，我们利用氧化石墨烯改性碳材料，成功开发了一种针对水中抗生素过滤的石墨烯碳分子筛新材料

活性炭过滤是将水中悬浮状态的污染物进行截留的过程，被截留的悬浮物充塞于活性炭间的空隙。滤层孔隙尺度以及孔隙率的大小，随活性炭料粒度的加大而增大。即活性炭粒度越粗，可容纳悬浮物的空间越大。其表现为过滤能力增强，纳污能力增加，截污量增大。同时，活性炭滤层孔隙越大，水中悬浮物越能被更深地输送至下一层活性炭滤层，在有足够保护厚度的条件下，悬浮物可以更多地被截留，使中下层滤层更好地发挥截留作用，机组截污量增加。严格的理论上讲，活性炭所具有的对悬浮物的截留能力来自活性炭所提供的表面积。活性炭经过活化后碳晶格形成形状和大小不一的发达细孔，大大增加比表面积，提高吸附能力。活性炭的细孔有效半径一般为1-10000nm，孔容积一般为1-1.5mL/g. 通过精确地理论计算，选举粒径为500nm的石墨烯碎片，通过一种特殊的物理技术，把石墨烯碎片送入活性炭的细孔并附椎在内表面上，达到增加过滤材料的比表面积，改善过滤效果。基于这部分石墨烯的工作，成功开发出了一种石墨烯炭分子筛，它有着轻薄，稳定，耐热，比表面积大等特性，尤其是一种特殊的的优点：它是炭，对人体无害。与同样重量的活性炭比较吸附性提高高达20倍！对它的民用开发将会带来大量的市场收益。潜在产品包括防雾霾口罩、帽子以及纱窗等。同时，这种石墨烯炭分子筛新材料还可用于空气净化器以及汽车换气系统中滤膜的开发。其次，这种石墨烯改性碳材料合成一种复合膜，可有效去除饮用水中抗生素，这为目前的水处理特别是饮用水的净化处理提供给了一种高效滤材。现工作已引起多位院士的高度重视，评价为这是实在的东西，从科学上，技术上是可行的，极力推荐。我们下一步的工作就是把它商业化。目前依托市政府，进行产

业化，推进市场，为广大人民造福！