石墨烯及其復合材料在環(huán)境領域中的應用研究進展

郝巧娥 楊霈霖

摘要：石墨烯是一種具有比表面積大、載流子遷移率高、機械強度高等優(yōu)異特性的二維納米材料。因其在納米技術和環(huán)保方面的巨大潛力，自2004年被發(fā)現(xiàn)以來即受到眾多領域的關注。首先介紹了石墨烯的優(yōu)異特性及其制備方法；其次重點闡述了十幾年來石墨烯及其復合材料在光催化、電催化、Fenton、微生物燃料電池、海水淡化、吸附等環(huán)境領域中的國內(nèi)外研究進展及主要成果，并總結(jié)了在以上領域中的作用機理；最后對其在環(huán)境領域中的應用前景進行展望。

關鍵詞：石墨烯；復合材料；環(huán)境；應用研究

引言

當今社會工業(yè)和技術的快速發(fā)展給人們帶來便利的同時，也不可避免地造成了環(huán)境污染。各國學者致力于研發(fā)新的技術或工藝，以期提高污染物的去除效率，石墨烯及其復合材料優(yōu)越的物理化學性能使其成為解決環(huán)境污染問題最具潛力的手段之一，目前備受環(huán)保領域關注。

1石墨烯的制備方法

石墨烯的制備方法主要包括：微機械剝離法、氧化石墨還原法、化學氣相沉積法、外延生長法、電化學方法等，不同方法制得的石墨烯具有不同的理化性質(zhì)。機械剝離法顯然不能滿足工業(yè)化需求；氧化石墨還原法雖然能夠以相對較低的成本制備出大量的石墨烯，然而石墨烯的電子結(jié)構以及晶體的完整性均受到強氧化劑嚴重的破壞，使其電子性質(zhì)受到影響，一定程度上限制了其在微電子器件方面的應用?；瘜W沉積法雖然可以制得大面積且性能優(yōu)異的石墨烯，但現(xiàn)階段工藝的不成熟以及較高的成本限制了其大規(guī)模的應用。外延生長法制備的石墨烯表現(xiàn)出較高的載流子遷移率等特性，但觀測不到量子霍爾效應。電化學法可制備出離子液體功能化的石墨烯，但制備的石墨烯片層大于單原子層厚度。因此大量、低成本制備出高質(zhì)量的石墨烯材料仍然是現(xiàn)在研究的熱點，也是未來研究的一個重要方向。

2石墨烯及其復合材料在環(huán)境領域的應用

2.1光催化領域

在催化降解污染物技術中，光催化處理技術以其清潔、無污染、反應溫度低且能利用太陽能等優(yōu)點而備受推崇。但是一些常規(guī)光催化劑，如TiO2、ZnO、SnO2、Bi2WO6、V2O5、Cu2O等，受激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對復合率高，致使其量子效率和光催化活性低，并且這些常規(guī)光催化劑僅能利用紫外光（UV），浪費了太陽光中的可見光光源。因此，為提高催化劑的催化活性，部分研究嘗試將石墨烯與催化劑進行復合，制備新型催化材料。復合材料具有較高的催化性能與可見光利用率，不僅可以用于廢水中污染物的處理，還能應用于空氣污染控制。WANG等；研究了石墨烯含量對光催化降解空氣中丙酮的影響，認為其最佳質(zhì)量分數(shù)為0.05%，與TiO2和商業(yè)P25相比，復合材料的光催化活性分別提高1.7倍和1.6倍？石墨烯主要從以下3個方面來提高負載型光催化劑的性能：石墨烯具有高導電性？高載流子遷移率的性質(zhì)，能迅速傳導光生電子，降低常規(guī)催化劑電子-空穴對的復合概率，延長光生電子-空穴對的壽命；石墨烯的比表面積大，為光催化反應提供豐富的反應位點，促使電子-空穴對產(chǎn)生羥基自由基和活性氧，進而提高光催化效率石墨烯在一定程度上能減小催化劑的禁帶寬度，使可利用光線擴增至長波長光區(qū)，從而提高催化劑對可見光的利用率。

2.2電催化領域

電催化技術因其反應條件相對溫和、無副產(chǎn)物、催化速率高等優(yōu)點被廣泛應用于去除難降解污染物。三維電極體系在傳統(tǒng)二維電催化系統(tǒng)中加入了粒子電極，通過提高體系的相對反應面積，增加活性點位而提高系統(tǒng)的處理效率。現(xiàn)階段，國內(nèi)外對三維電極體系的研究主要集中在新型粒子電極的制備方面。以石墨烯代替常規(guī)粒子電極（包括活性炭、多孔陶瓷、氧化鋁等多孔材料）應用于三維電極體系中的研究已逐漸開展。

2.3微生物燃料電池（MFC）領域

MFC是一種利用微生物將廢水中的有機物氧化分解，從而將化學能轉(zhuǎn)換為電能的生物反應器，被認為是一種在污水凈化的同時實現(xiàn)能源儲存的清潔技術。電極材料決定MFC的產(chǎn)電性能和成本。Pt及其合金對催化活性高、過電位低，被廣泛用作MFC陰極催化劑，但其資源稀少、價格昂貴、ORR動力學慢等缺點，嚴重影響MFC的規(guī)?；a(chǎn)。因此，亟需開發(fā)ORR速率高的低成本陰極催化劑，研究發(fā)現(xiàn)，純石墨烯的ORR催化活性較低，不適合直接用作MFC的陰極催化劑、LIN等；將石墨烯進行改性制備出NG-900，結(jié)果表明，其ORR催化活性較高，在電解液中耐甲醇毒化能力？穩(wěn)定性均超過常規(guī)Pt/C催化劑，在氮摻雜石墨烯中，氮原子與碳原子具有不同電負性，碳原子之間的大π鍵與氮原子的孤對電子可以形成離域共軛體系，從而改變碳原子的電荷分布和自旋密度來改善其吸附特性；在氮摻雜石墨烯表面能夠產(chǎn)生有利于ORR 4電子轉(zhuǎn)移的“活性位點”，因此提高了氮摻雜石墨烯的催化活性。石墨烯的優(yōu)異特性有利于電解質(zhì)擴散到陰極，并為電化學過程提供較大的比表面積，進而提升MFC的性能？

2.4海水淡化領域

沿海地區(qū)水資源短缺是制約其經(jīng)濟發(fā)展及環(huán)境保護的關鍵問題，海水淡化技術讓水源實現(xiàn)了開源增量，為沿海地區(qū)的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展奠定了基礎。目前，世界上海水淡化系統(tǒng)主要采用的是反滲透（RO）技術，約占全球海水淡化處理系統(tǒng)的45%。RO裝置中使用的常規(guī)聚合物膜易結(jié)垢，在高壓下其通量下降速率快，且對高溫、酸堿、氯和有機溶劑的耐受性低，這些問題的存在促使了新型膜組件的研發(fā)。近年來，石墨烯因其獨特的超薄結(jié)構？高機械強度而被認為是海水脫鹽RO膜的最佳材料。

2.5吸附領域

常用的吸附劑有活性炭、粘土、殼聚糖活性氧化鋁等，然而這些吸附劑都存在不足，如吸附容量小、不易分離回收、再生效率低等、石墨烯自問世以來，由于其較強的吸附能力，已成為吸附領域研究的熱點。石墨烯對重金屬具有優(yōu)異的吸附能力。YOON等合成磁鐵礦/非氧化石墨烯復合材料（M-nOG），作為吸附劑去除廢水中的砷。吸附24h后，M-nOG對As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的吸附量分別為38、14mg/g，M-nOG的吸附能力遠高于之前報道的磁性納米顆粒吸附劑（如磁性多顆粒納米團簇、赤鐵礦包裹磁鐵礦顆粒、商業(yè)納米磁鐵礦。研究發(fā)現(xiàn)，表面絡合作用使亞砷酸鹽被M-nOG高效吸附；M-nOG對砷酸鹽的吸附效率更高。金屬離子一般受到表面絡合？靜電引力和表面沉淀等共同作用而被吸附到石墨烯上。

3研究結(jié)論

石墨烯及其復合材料能夠在環(huán)境領域得以應用主要依賴于以下幾方面的優(yōu)異特性：（1）石墨烯的超大比表面積有助于吸附污染物并能提供豐富的反應位點；（2）高導電性能促進電子轉(zhuǎn)移，有利于石墨烯及其復合材料光電化學反應的進行，從而提高光電催化活性。（3）石墨烯表面具有的官能團與摻雜的元素之間能夠形成協(xié)同作用，提高了與目標污染物的反應速率。與常規(guī)材料相比，石墨烯及其復合材料的性能明顯提升，在環(huán)境領域的應用已經(jīng)取得了一定的成效。但是，由于復合材料制備成本和穩(wěn)定性等因素的制約，目前石墨烯及其復合材料大部分仍停留在在實驗室研究階段，未在實際工程中大規(guī)模應用。因此成本低、品質(zhì)高的石墨烯及其復合材料仍有待研發(fā)。石墨烯復合材料的改性機理需要深入研究，為復合材料改性提供理論依據(jù)。隨著科學技術的發(fā)展，石墨烯及其復合材料將會在環(huán)境領域發(fā)揮更大的作用，進一步提高環(huán)境污染治理效率。

4結(jié)語

科技的進步是一把雙刃劍，近年來隨著石墨烯的大量生產(chǎn)與使用，其不可避免會進入到水體、土壤、大氣及生物體中，從而給生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來風險。GUO等成功合成了14C同位素標記的石墨烯，發(fā)現(xiàn)石墨烯能進入到斑馬魚體內(nèi)，并且有可能將石墨烯轉(zhuǎn)移給下一代。這有可能會給人類健康、生態(tài)環(huán)境帶來風險，因此需要引起足夠的重視。因此，需要對石墨烯在環(huán)境中的行為和歸趨進行深入研究，科學評價石墨烯帶來的環(huán)境風險，為石墨烯的合理利用、排放、后期處理提供參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]曹艷艷.石墨烯的制備、功能化及在化學中的應用[J].河南科技，2014（11）：71.