石墨烯及其衍生物在水处理中的研究进展

孟海停

摘 要：石墨烯具有比表面积大、载流子迁移率高等众多优异特性。这些特性吸引国内外科研工作者开展与其相关的各领域研究，并取得一定的研究成果。文章综述了石墨烯及其衍生物在水处理中的研究进展，详细介绍了作为吸附剂和光催化劑的国内外研究成果并对其进行分析总结。

关键词：石墨烯；吸附剂；光催化

1 介绍

工业、农业和居民对淡水的需求逐年增长，产生的废水使全球大量水资源受到污染，这些受污染的废水亟需解决。吸附剂能去除可溶性和不溶性的有机、无机和生物污染物，是一种重要的废水处理技术。研究发现石墨烯具有优异特性，其比表面积高达2630m2/g[1]，可以为污染物提供丰富的吸附点位，成为新一代吸附剂的研究热点。光催化技术能利用太阳光中的紫外线或可见光，可以节约污水处理的能耗。目前使用的常规光催化剂存在带隙能量较大、电子-空穴对复合率高、量子效率低等缺点，石墨烯的比表面积大同时载流子迁移率高达200000cm2/（V·s）[1]，石墨烯成为新一代光催化剂的研究热点。本文主要综述分析石墨烯及其衍生物在水处理中吸附和光催化领域的应用研究进展，介绍了一些最新研究成果并进行分析。

2 石墨烯及其衍生物作为吸附剂

纳米吸附剂具有相当大的污染物结合能力，能够吸附具有不同分子大小、疏水性和形态特性的污染物，吸附饱和后进行化学再生。纳米颗粒具有较高的表面积，与不同化学物质相互作用的活性位点数较多。目前，一些科研工作者将研究热点集中在石墨烯，由于其独特的性质，使石墨烯及其衍生物成为污水处理的新可能。与碳纳米管相比，石墨烯材料作为吸附剂有几个优点：（1）单层石墨烯材料具有两个平面可用于污染物吸附。而碳纳米管的内壁不被吸附物所接近。（2）石墨烯氧化物（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）可以通过石墨的化学剥离容易地生产制备，具有大量的含氧官能团，并且不需要额外的酸处理以赋予GO亲水性[2]。这些官能团是吸附金属离子的主要原因之一。

众多研究使用GO作为金属离子的吸附剂，GO具有与金属离子相互作用的含氧官能团，优于原始石墨烯对金属离子的吸附。GO和石墨烯纳米片（GN）可以与金属氧化物结合形成复合材料。具有GO和金属氧化物的复合材料通常具有特定的特征，并被用作去除不同污染物的有效吸附剂。如表1研究结果表明石墨烯及其衍生物复合材料吸附剂均比未改性的常规吸附剂的吸附量高。

3 石墨烯及其衍生物作为光催化剂

由于常规的生物处理方法在降解有毒有机废水方面无效，在紫外线或可见光下，TiO2颗粒的光催化降解污染物得到了极大的关注。通常，三个因素对于复合材料的光催化活性是至关重要的，即污染物分子的吸附，光照吸收和电荷输送分离。使用TiO2作为光催化剂降解有机污染物已被广泛研究，但是TiO2仅在紫外线照射下活化，极大地限制了太阳能的有效利用。目前的常规光催化剂存在带隙能量较大、电子-空穴对复合率高等缺点，石墨烯的比表面积大同时载流子迁移率高，一些科研工作者将石墨烯用于光催化剂的研究。

周琪等[9]采用乙醇溶剂热法合成rGO-TiO2复合材料光催化剂，紫外光照射下1h将甲基橙溶液降解98%，比未负载的TiO2催化活性显著提高。Shen等[10]通过水热法制备了rGO-ZnCdS纳米颗粒用于降解有机染料甲基橙和罗丹明B（RhB），石墨烯的引入使带隙能量变窄和增强对可见光的响应。另一方面，由于石墨烯的独特性质，可以改善光载流子的分离和转移。结果表明，可见光辐照下rGO-ZnCdS光催化活性显著，至少有三个原因。首先，rGO-ZnCdS增强了有机染料分子的吸附；第二，rGO-ZnCdS明显延长光敏响应范围；最后，形成的rGO-ZnCdS异质体对其光活性具有协同作用。

4 结束语

石墨烯及其衍生物能提高吸附性能，将会成为新一代高效吸附剂，石墨烯及其衍生物促进光催化活性提高对太阳光能的有效利用，将会在废水处理中节约大量能耗。但是有文献对石墨烯基材料在环境中的转化和毒理学影响进行了评述，因此必须强调对石墨烯材料的环境风险进行仔细评估的重要性。还需要进行详细的生态毒理学评估和生命周期分析，使我们能够利用石墨烯的性质，同时最大限度地减少对人类健康和环境影响。

参考文献

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