石墨烯材料在環(huán)境保護方面的應(yīng)用

文_孫婷婷 尹宗杰

1 深圳市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站 2 國家石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心

1 石墨烯材料簡介

石墨烯是在石墨中獲取的晶體材料，屬于二維結(jié)構(gòu)的材料，歸類為新型碳納米材料，如圖1，碳原子是組成它整體結(jié)構(gòu)的有效元素，可以直接與反應(yīng)物相互作用，使得材質(zhì)在面臨不同的環(huán)境時很快進(jìn)行反應(yīng)，具有很強的靈敏性。由于其具有很強的吸附性，可以有效去除環(huán)境中的有害物質(zhì)，從而減少有害物質(zhì)對環(huán)境的污染，這使得石墨烯材料得到全球的廣泛關(guān)注，特別是在環(huán)境保護方面的應(yīng)用。為了分析石墨烯的功能與特征，國家在廣東地區(qū)建設(shè)了國家石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，促使研究人員對石墨烯進(jìn)行深入的研究，加強石墨烯領(lǐng)域的質(zhì)量控制并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更廣泛的利用。相關(guān)研究人員為了進(jìn)一步加強對污染物的處理，以石墨烯為主要材料而研發(fā)出的多種材料具有催化、吸附功能，可以應(yīng)用于很多不同的領(lǐng)域當(dāng)中。

圖1 石墨烯材料結(jié)構(gòu)

石墨烯具有良好的電子、化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物兼容，從而應(yīng)用于傳感領(lǐng)域當(dāng)中。石墨烯的與非貴金屬、貴金屬，其他材料的復(fù)合使用可以增加傳感器對氧化氫的檢測范圍，從而提升穩(wěn)定性，可以為未來非酶電化學(xué)生物傳感器的進(jìn)步提供基礎(chǔ)。

石墨烯是二維蜂窩形狀的碳材料，有著過光點、表面積等效應(yīng)，能夠廣泛應(yīng)用于環(huán)境、能源方面，可以有效調(diào)整光點性質(zhì)、結(jié)構(gòu)，擴大檢測范圍。

氧化石墨烯是從石墨烯當(dāng)中獲取的碳材料，屬于新型的研究成果，而且加工并不是很難，而且可通過化學(xué)、物理方法與多種不同物質(zhì)結(jié)合，從而產(chǎn)生電、光等性能，并應(yīng)用于環(huán)境保護、儲能等方面。

相關(guān)研究表明，石墨烯材料的分子結(jié)構(gòu)較獨特，表面積大，以及具有吸附功能強的特點。由于可以輕易改性，有著很好的靈活性能，補充了硅膠、活性炭等吸附材料所不具備的功能，因此在市場中的應(yīng)用前景非常的廣闊。

石墨烯的制備方法也隨著技術(shù)的發(fā)展在不斷完善，目前在制備石墨烯材料的過程中，可以通過機械剝離和外延晶體生長等方法來制備。

2 石墨烯材料在環(huán)境保護中的具體應(yīng)用

石墨烯材料作為比較好的吸附劑，它在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用，不僅提高污染物的處理質(zhì)量，還為環(huán)境保護工作的順利實施提供基礎(chǔ)。由于重金屬污染物具有很大的毒性，如果不對其進(jìn)行有效處理就將其排放到環(huán)境中，就會對周圍的環(huán)境和人們的身體健康造成嚴(yán)重的影響，植物會通過生物富集作用將其吸收，進(jìn)入人體內(nèi)。因此，為了減少這些污染物對人體的影響，對石墨烯材料的特點及在環(huán)境保護方面的具體應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。

2.1 提高去污能力

根據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯材料的去污能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以前吸附材料的去污能力，不僅可以節(jié)約工作時間，提高工作效率，還可以大幅度減少其去污能耗成本。研究人員為展示石墨烯材料的優(yōu)點，對石墨烯膜原型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)石墨烯膜能夠提高環(huán)保質(zhì)量，為環(huán)境保護工作的順利實施提供了保證。

相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)，高效率的石墨烯材料分離與所要進(jìn)行的同位素混合物的投入量成反比例，這足以表明了石墨烯材料能夠降低資本成本和能源需求，不斷提高去污質(zhì)量，為促進(jìn)我國經(jīng)濟在社會中的穩(wěn)定發(fā)展提供基礎(chǔ)。

石墨烯氧化物膜具有良好的過濾作用，可以有效過濾飲用水中的雜質(zhì)與鹽，對不同水質(zhì)的污染處理中起著重要的作用。但是在這個過程中，石墨烯膜會降低材料的選擇性，主要原理為氧化石墨烯層沉浸在水里時，兩層或三層水分子將插進(jìn)層間空間當(dāng)中，擴大石墨烯膜的間隙，研究發(fā)現(xiàn)把它疊放在環(huán)氧樹脂中間，可以對水中的污染物進(jìn)行更好的處理。

2.2 加強吸附能力

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，加速了工業(yè)污水與氣體的排放，對環(huán)境造成了不好的影響，而且大部分企業(yè)并沒有意識到酸堿廢水的危害，從而沒有完善耐酸堿防水防腐的工作，導(dǎo)致了酸堿腐蝕，不僅對環(huán)境造成了很大的破壞，也損害到了工業(yè)企業(yè)的利益。

石墨烯材料具有很強吸附性能力，能快速對污染物進(jìn)行處理，在環(huán)境保護的過程中，傳統(tǒng)的吸附材料由于吸附能力較差，一些比較小的污染物并不能進(jìn)行有效吸附，這就對檢測的結(jié)果造成了一定的影響。而石墨烯材料能有效地將要檢測的物質(zhì)檢測出來，大大地提高檢測的準(zhǔn)確性。

相關(guān)研究表明，GO海綿應(yīng)用于甲基紫的吸附，可以提升吸附量，比普通GO吸附量少，這也就說明石墨烯材料比傳統(tǒng)吸附材料的吸附能力要強的多。除此之外，石墨烯也可以吸附染料，石墨烯殼聚糖的結(jié)構(gòu)吸附活性黑物質(zhì)，處理羅丹明B的材料還也可以是石墨烯海綿。

環(huán)境領(lǐng)域的相關(guān)研究者表明，以石墨烯為主要材料制備的石英晶體微天平（QCM）傳感器的穩(wěn)定性強的主要原因為甲醛與石墨烯根據(jù)氫鍵斷裂，從而產(chǎn)生吸附-脫附過程。

當(dāng)前，環(huán)境污染問題已經(jīng)引起世界范圍的關(guān)注，尤其在水資源匱乏的情況下，污水處理是目前環(huán)境保護人員所重視的事情。國外研究者通過還原氧化石墨烯修飾金屬卟啉電化學(xué)傳感器中測測出很多不同水質(zhì)中的硝基苯含量，在污染物處理過程中應(yīng)用，石墨烯材料大大提高其處理的質(zhì)量。根據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的表面積遠(yuǎn)大于以前的吸附材料，在環(huán)境保護領(lǐng)域中的應(yīng)用有著一定的發(fā)展前景。

在我國經(jīng)濟不斷發(fā)展的背景下，相關(guān)人士對有害氣體吸附進(jìn)行深入的研究，并且隨著科技的不斷發(fā)展，人類對于能源的需求也在增大，為了在保護環(huán)境的同時，還可以有效解決這個難題，相關(guān)的研究人員尋找更高效環(huán)保的吸附材料，加強對有害氣體的吸附。石墨烯材料在環(huán)境保護中的應(yīng)用，在提高其監(jiān)測效果的同時，還大大改善前期材料的吸附能力不足的問題。

石墨烯材料對汽車尾氣的吸附能力同樣比較強，監(jiān)測人員可以對其吸附結(jié)果進(jìn)行分析和檢測，然后采取措施對污染物進(jìn)行及時處理。在對石墨烯材料的研究過程中，還要加強對其原子結(jié)構(gòu)的研究，因為石墨烯材料的原子結(jié)構(gòu)都是由碳原子組成的，所以它具有很強的穩(wěn)定性和吸附能力，要是在環(huán)境保護過程中的應(yīng)用，不僅可以提高其工作效率的同時，還能為監(jiān)測工作的穩(wěn)定進(jìn)行提供保障。

目前，在廢氣治理中吸附塔中的主要材料還是活性炭，用石墨烯材料代替活性炭是我們未來的研究方向。

3 結(jié)語

很多相關(guān)研究表明，石墨烯材料的主要功能是為提高去污能力，加強吸附能力，可以有效改善周圍的環(huán)境，對環(huán)境保護方面具有很大的意義。石墨烯材料應(yīng)用到環(huán)境保護方面，需要對石墨烯材料的結(jié)構(gòu)和特點，以及在環(huán)境保護中的作用進(jìn)行分析及對其進(jìn)一步衍深，加強對石墨烯材料相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，從而為我們的綠水青山盡一份力量。