石墨烯在吸附中的应用及发展

石墨烯在吸附中的应用及发展

1、引言

随着世界人口的快速增长和工业化的迅猛发展，环境污染问题引

起了人们的广泛关注，特别是水体中有害物质的去除问题至关重要。

目前，国际上常用的污水处理方法有膜分离法[1]、微生物处理法[2]、

光催化降解法[3]、吸附法[4]及其它方法。这些方法在治理和保护水体

环境中起到了重要的作用。其中，吸附法和光催化降解法，由于本身

具有低能耗、高效率、方便大规模应用和应用对象广泛等特点[5-6],得

到了科学界的广泛关注和研究。吸附法在污水治理方面具有设备简单、

效果显着、不易产生二次污染等优点，经吸附法处理后，水体普遍好

转且比较稳定[7].

目前，在工业上最常用的活性炭吸附剂,具有非极性表面，为疏水

和亲有机物的吸附剂，性能稳定、吸附容量大、解吸容易、抗腐蚀，

经过多次循环使用仍可保持原有吸附性能，在污水处理方面有很好的

效果，但其成本较高、再生效率低，使该方法的广泛应用受到了限制;

活性氧化铝[9],无定形的多孔结构物质，极性强，对水又很高的亲和作

用，对含氟废气有很好的净化作用;沸石分子筛[10]

一种离子型吸附剂，孔径整齐均一，对不饱和有机物、极性分子

有选择吸附能力，但都存在各自的缺点，制约了其在现实生活生产中

的应用。纳米级的碳材料本身就可以担当一种有效的催化剂，在吸附

方面有很好的应用潜力[11].自2004年Manches-ter大学的Geim小

组[12]首次采用机械剥离法获得单层或薄层的新型二维原子晶体-石墨

烯以来，科学界便对石墨烯材料进行了广泛的研究与讨论。石墨烯具

有理想的平面二维结构、良好的电子性质、热学性质、光学性质、机

械性质等，使其在纳米电子器件、催化剂、电池、电容器、光电子器

件、新型复合材料以及传感材料等方面有着广泛的应用前景[13].石墨

烯由碳原子以sp2杂化结构连成的单原子层结构，其理论厚度仅为

0.35nm[14],石墨烯的单原子厚度和二维的平面结构赋予了它独特的性

能，如巨大的理论比表面积(2630m2/g),使其可用来负载大量的各种

分子，具有非常高的吸附容量，这使石墨烯在催化剂的负载方面及污

水吸附净化处理方面具有很大的应用潜力;石墨烯具有独特的面吸附特

性及吸附特性，对含有芳香苯环的有机污染物具有很高的吸附速度和

容量;石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，

碳原子面出现弯曲变形，避免了碳原子的重新排列来适应外力，展现

出优良的稳定性[15];这种稳定的晶格结构使其具有优异的导电性，石

墨烯的高电子迁移率[16](104S/cm)与导热性[17](5000W/(mK))使其

在电化学催化剂与光催化剂方面有重要应用及优越的机械性能、制备

过程简单，价格便宜等特点，有助于在实际生活生产中推广及应用

[18].基于石墨烯优异的特性，发展石墨烯复合物等衍生物，对污染物

具有很好的吸附富集能力，在吸附净化上具有很好的应用前景[19].

2、石墨烯在吸附中的应用及发展

水污染是目前环境污染的一个重要方面，其污染物种类比较多(如

有毒有害难降解的有机物、重金属离子等)严重威胁着生态安全[20].寻

找新型绿色环保材料治理水体的问题，以实现水体的净化刻不容缓。

新型石墨烯吸附剂的优势在于拥较大的石墨层平面对含有苯环的芳香

族化合物可以通过作用进行高效的吸附，同时具有独特的二维结构和

孔径分布等特点在处理水中重金属离子的问题上，有很大的潜力，在

处理水污染方面石墨烯应该会表现出优异的吸附性能，达到水体净化

的效果。

2.1石墨烯吸附剂

2.1.1吸附重金属离子

近年来，重金属对水体的污染比较严重，重金属化学性质稳定，

不易被微生物降解，能通过生物链富集等特点，无法在自然界通过微

生物的方式自然降解[21].石墨烯拥有独特的二维结构和孔径分布，相

当大的比表面积，表面的性质还可以通过修饰来进行调整，在吸附方

面具有简单易行、效率高、成本低廉等优点，因此在重金属离子的吸

附方面具有重要的研究价值和应用前景。

Huang等[22]研究了利用低温真空热处理法制备的石墨烯纳米片

对于水溶液中Pb2+的吸附能力好于普通方法制备的石墨烯，主要是由