利用石墨烯進(jìn)行功能化改性對(duì)不同物質(zhì)吸附的研究進(jìn)展

李立夏，郭越新，李 想

（1.華北理工大學(xué)藥學(xué)院，唐山 063210；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院，長春 130033）

近幾年來，工業(yè)化的迅速發(fā)展，大量含有重金屬、有機(jī)物的污水甚至有毒氣體未經(jīng)處理排放到大自然中，對(duì)人類健康及環(huán)境產(chǎn)生重大的影響。目前，處理污水的方法主要是化學(xué)法、物理法和生物法等。吸附法由于操作簡便、費(fèi)用低廉、不易造成二次污染等優(yōu)勢[1]，越來越被廣泛應(yīng)用。

石墨烯與傳統(tǒng)污水處理材料活性炭相比，它具有特殊的層狀和孔狀結(jié)構(gòu)，其吸附能力是活性炭的成百上千倍。后來科學(xué)家們通過化學(xué)修飾改性，成功制造出許多種具有超高效吸附特性的石墨烯復(fù)合材料，使其對(duì)各種目標(biāo)物達(dá)到很好吸附效果。并且能夠循環(huán)利用，大大降低了成本。本文先介紹了氧化石墨烯的制備，然后再通過石墨烯的功能化改性對(duì)放射性元素、金屬離子及氣體進(jìn)行綜述。

1 功能化的石墨烯對(duì)放射性元素進(jìn)行吸附研究

隨著核工業(yè)企業(yè)的快速興起，避免不了放射性元素及其污染物向自然界中排放，可通過食物鏈或直接危害人類健康。因此對(duì)放射性物質(zhì)處理尤為至關(guān)重要。一些研究者通過石墨烯復(fù)合材料對(duì)一些放射性元素鈾（U）進(jìn)行吸附研究，如表1所示。

李琰等人[5]研究了氧化石墨烯對(duì)U（Ⅵ），Th（Ⅳ）和Eu（Ⅲ）的吸附，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其對(duì)這三種元素均具有較強(qiáng)的吸附能力。常溫下對(duì)Eu（Ⅲ）的吸附容量達(dá)15.40 mg/g，離子強(qiáng)度對(duì)U（Ⅵ）在氧化石墨烯上的吸附影響顯著，對(duì)Th（Ⅳ）和Eu（Ⅲ）的影響較小。

表1 不同石墨烯復(fù)合材料對(duì)鈾（U）的吸附

2 功能化的石墨烯對(duì)石油工業(yè)污染物進(jìn)行吸附研究

如今石油工業(yè)快速發(fā)展，所排放出來的廢水具有種類繁多，組成復(fù)雜，毒性較大等特點(diǎn)[6]。一些研究者通過制備石墨烯復(fù)合材料對(duì)一些元素進(jìn)行吸附研究。

羅勇波等人[7]將氧化石墨烯（GO）經(jīng)1，6-六亞甲基二異氰酸酯、樹枝狀大分子聚酰胺-胺化學(xué)接枝改性后，制得了吸附材料功能化的石墨烯，分別對(duì)Cd2+、Cr3+和Cu2+進(jìn)行選擇吸附，其中對(duì)Cu2+吸附量最大，可達(dá)204 mg/g，這是由于石墨烯表面性能及負(fù)載在其表面的聚酰胺-胺樹枝狀大分子的螯合作用影響功能化石墨烯對(duì)重金屬離子的吸附選擇性，并且在pH值在4.5至6.5范圍內(nèi)，對(duì)重金屬離子的吸附量較大。

檀夢(mèng)婷等人[8]通過親核取代反應(yīng)制備L-色氨酸功能化氧化石墨烯（GO/L-Trp）對(duì)Ni2+進(jìn)行吸附，當(dāng)吸附劑含量為10 mg，pH為8且吸附時(shí)間為480 min時(shí)，并對(duì)Ni2+的吸附百分率為88 %。

閆潔等人[9]通過制備β-環(huán)糊精-殼聚糖-氧化石墨材料對(duì)Mn（Ⅱ）進(jìn)行吸附研究，結(jié)果顯示：該復(fù)合材料的用量為0.020 g/mL、吸附溫度為25 ℃、吸附時(shí)間為3h的條件下，對(duì)Mn（Ⅱ）離子的最大吸附率可達(dá)到95 %，最大吸附量為177.97 mg/g，并且在吸附過程中是自發(fā)且放熱的。并且可以解吸再生多次重復(fù)利用。

Sushanta等人[10]通過制備磁性殼聚糖-氧化石墨烯納米材料，對(duì)Cr（Ⅵ）進(jìn)行吸附，實(shí)驗(yàn)表明：在吸附過程中是自發(fā)吸熱反應(yīng)，用Langmuir和Redlich–Peterson等溫吸附模型描述吸附數(shù)據(jù)，并且可用于第五次循環(huán)再生，保持吸附容量的92 %。

許曉琪等人[11]制備氧化石墨烯/殼聚糖復(fù)合海綿對(duì)銅、鉛離子進(jìn)行吸附，實(shí)驗(yàn)表明：在最優(yōu)條件下，Cu2+和Pb2+的平衡吸附量分別可以高達(dá)1114.7 mg/g和4855.8 mg/g。

3 石墨烯及其功能化改性對(duì)氣體進(jìn)行吸附研究

廢物處理焚燒和大量合成或生產(chǎn)產(chǎn)品，避免不了產(chǎn)生CO2等對(duì)地球不利的氣體。一些研究人員通過合成石墨烯復(fù)合材料對(duì)一些氣體進(jìn)行吸附研究。

Zhou等人[12-13]將三聯(lián)吡啶與石墨烯復(fù)合，制備了對(duì)CO2具有較強(qiáng)吸附能力的復(fù)合物，對(duì)CO2的吸附質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)11.7 %，即12 mol/kg。

Paulla等人[14]用ab initio 證實(shí)了石墨烯納米線對(duì)NO2分子的吸附反應(yīng)，并且驗(yàn)證了石墨烯傳感器檢測極限是5個(gè)NO2分子。理論研究證明，由于石墨烯對(duì)NO2的吸附是化學(xué)吸附，因此會(huì)削弱石墨烯的SP3鍵從而使電導(dǎo)發(fā)生變化。

Diego等人[15]利用Fe摻雜的石墨烯納米片對(duì)CO2、CO、SO2、H2S 進(jìn)行吸附，實(shí)驗(yàn)表明：這些氣體以0.54-1.80eV的吸附能量化學(xué)吸附在其上，與本征石墨烯（0.08-0.28eV）相比，吸附強(qiáng)度至少提高了390 %。通過化學(xué)結(jié)合分析表明FeG與氣體相互作用的穩(wěn)定性由Lewis酸堿相互作用所決定。

韓俊儒等人[16]制備了聚乙烯亞胺改性的氧化石墨烯復(fù)合材料（GPs），GPs吸附劑具有較高氨基含量，對(duì)CO2有較好的吸附效果，在273 K、3 MPa 條件下GPs對(duì)CO2的最大吸附量達(dá)到645 mg/g。

4 結(jié)束語

石墨烯可與其他化合物復(fù)合形成具有更高比表面積、高孔隙率和豐富表面官能團(tuán)的復(fù)合材料，從而提高其活性，增強(qiáng)其吸附能力[17]。我們現(xiàn)在面臨著一個(gè)重要的問題是：石墨烯復(fù)合材料可以多次重復(fù)吸附-解吸，并使吸附物回收利用，使石墨烯復(fù)合材料具有多功能化，并且對(duì)不同種污染物具有高的吸附率，減少對(duì)環(huán)境的傷害。