新型石墨烯材料在水资源净化中的应用

杨庆凤 王志辉 李建华

摘 要：石墨烯具有超大的比表面積和碳材料良好的化学稳定性，从而具有作为水中污染物吸附剂的可能性。因此，近几年应用石墨烯材料作为吸附剂的研究也日趋增多。本文综述了近年来一些新型石墨烯材料作为吸附剂的研究进展，并对石墨烯材料在水资源净化中的应用提出了展望。

关键词：石墨烯 吸附 净化

中图分类号：O613 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（b）-0090-02

石墨烯是单层碳原子组成的六角形蜂巢状结构，是一种新型二维碳纳米材料。学术界一直认为单层石墨烯无法获得，直到2004年英国曼彻斯特大学Andre Geim教授的研究小组首次成功地从石墨中制备出单层石墨烯而引起了学术届的广泛关注[1]。由于石墨烯是由单层碳原子紧密排列而成，其厚度只有头发丝直径的二十万分之一，可称为最薄的二维材料；同时，碳原子以sp2杂化轨道与其他碳原子相连，形成稳定的六元环结构。这样的结构赋予了石墨烯许多特殊的物理化学性能，使其迅速成为材料化学研究的前沿。

1 石墨烯作为吸附材料的优势

石墨烯作为一种碳纳米材料，用作吸附材料具有得天独厚的优势，主要表现在以下几个方面：（1）碳材料的热稳定性和化学稳定性好；（2）超大的比表面积理论上具有超大的吸附容量；（3）石墨烯碳原子sp2杂化形成的离域大π键可以与目标物形成π-π共轭作用而相互吸附；（4）石墨烯制备过程中形成的氧化石墨烯的表面含有丰富的活性基团，便于材料的功能化改性；（5）制备方法多种多样，并且能够大量生产，使用成本较低。

2 新型石墨烯材料对水中污染物的吸附

2.1 功能化改性石墨烯材料

尽管石墨烯具有理论上的巨大吸附容量，然而片层石墨烯之间很容易发生堆积，导致石墨烯的吸附位点减少，影响石墨烯的吸附容量，同时，石墨烯作为碳材料的疏水性使其在水中的分散性很差，难以直接用作水中污染物的吸附剂。所以在实际应用时，通常使用的是氧化石墨烯。氧化石墨烯的表面带有大量的含氧基团，用作水相中吸附材料时具有良好的分散性。但氧化石墨烯表面的含氧基团导致吸附位点的减少从而导致吸附容量的下降，而氧化石墨烯离域大π键的破坏也导致吸附能力变弱。为解决这个难题，学者们通常利用在氧化石墨烯表面的活泼含氧基团上枝接不同的亲水基团，然后再还原氧化石墨烯的方法。亲水基团的引入可以保证改性石墨烯材料在水中具有较好的分散性，而还原氧化石墨烯可以在一定程度上修复氧化石墨烯遭到破坏的离域大π键，同时增加吸附位点，增强改性材料的吸附能力。目前，已经报道引入的亲水基团主要有磺酸[2]、EDTA[3]、二胺[4]等。Zhao等[5]利用表面活性剂胆酸钠改性多层石墨烯材料，并测试了表面活性剂改性后石墨烯材料对有机污染物菲的吸附能力。结果发现，改性后的石墨烯材料由于表面活性剂占据了一部分吸附位点而引起吸附量的下降。然而在超声波的作用下，表面活性剂的亲水性能使得改性石墨烯材料易于剥落为单层石墨烯，并在水中有较好的分散性，改性多层石墨烯材料剥落为单层石墨烯增加了新的吸附位点，从而对有机污染物菲的吸附能力增强。Gao[6]等提出了一种采用聚多巴胺改性石墨烯的方法，该方法使用多巴胺同时作为还原剂和表面改性剂，利用多巴胺的自聚合与石墨烯材料的自组装一步完成制备得到聚多巴胺改性的功能化石墨烯材料。该材料依托表面聚多巴胺丰富的功能化基团和巨大的比表面积，对一系列污染物（重金属、合成染料、芳香族污染物）都具有较高的吸附容量且吸附完成后很容易从水相中分离。同时，通过改变吸附条件可以实现材料的再生。

2.2 石墨烯纳米复合材料

除去功能化改性石墨烯材料，另外一种新型的石墨烯吸附材料为石墨烯纳米复合材料。目前研究较多的是磁性金属氧化物纳米颗粒与氧化石墨烯生成的复合材料。在氧化石墨烯中引入磁性金属氧化物纳米颗粒，可以在一定程度上减少石墨烯之间的堆积，增加吸附位点。同时，磁性金属氧化的引入可以通过外部磁铁的作用实现吸附材料的快速分离。Zhou等[7]利用溶剂热合成法制备了包含Fe3O4磁性纳米颗粒的石墨烯纳米复合材料。该材料对500μg/L Cr（VI）溶液中Cr离子的吸附率在5min内可以达到85%。

3 结语

如何发挥石墨烯材料的自身优势使其成为一种理想的污染物吸附材料一直是许多学者研究的热点。目前为止，虽然该类材料的研究已经取得了较大的进展，但要想获得比较理想的吸附材料依然有很长的路要走：（1）目前制备的材料吸附容量依旧不够高；（2）制备的材料仅对一种或个别几种污染物有较好的吸附效果，不能满足实际废水的净化。因此，不断开发新的石墨烯功能化改性方法及制备新型石墨烯纳米复合材料是许多学者依旧致力研究的课题。

参考文献

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[3] I.E.M.Carpio，J.D.Mangadlao，H.N.Nguyen，et al.Graphene oxide functionalized with ethylenediamine triacetic acid for heavy metal adsorption and anti-microbial applications[J].Carbon，2014（77）：289-301.

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[6] H.C.Gao，Y.M.Sun，J.J.Zhou，et al.Mussel-Inspired Synthesis of Polydopamine-Functionalized Graphene Hydrogel as Reusable Adsorbents for Water Purification[J].ACS Applied Materials &Interfaces;，2013（5）：425-432.

[7] L.Zhou，H.P.Deng，J.L.Wan，et al.A solvothermal method to produce RGO-Fe3O4hybrid composite forfast chromium removal from aqueous solution[J].Applied Surface Science，2013（283）：1024-1031.