石墨烯及其復合材料在水處理中的應用
在2004年，英國(guo)曼(man)徹(che)斯特大(da)學的(de)(de)兩位科學家安德烈˙杰姆和克(ke)斯特亞˙諾沃消洛(luo)夫，他(ta)們從高定向熱解石(shi)墨中(zhong)剝離出石(shi)墨片(pian)，將石(shi)墨薄(bo)片(pian)的(de)(de)兩面粘(zhan)在一種特殊的(de)(de)膠帶上，撕開膠帶，將石(shi)墨片(pian)一分為二，不斷地這樣操(cao)作，薄(bo)片(pian)越來越薄(bo)，最后他(ta)們得到了僅(jin)由(you)一層碳原子構成的(de)(de)薄(bo)片(pian)，這就是石(shi)墨烯。
石墨烯是目前最(zui)結實(shi)的(de)材料之一，具有很(hen)好的(de)導熱性(xing)及(ji)極高(gao)的(de)電子遷(qian)移率，它能夠(gou)作為電極材料、傳感器、儲氫材料。
石墨烯及其復合(he)材料(liao)的(de)特(te)性和(he)制備方法
隨著科學技術的不斷發展，石墨烯在(zai)制(zhi)備方面(mian)已(yi)經取得(de)了巨大(da)進步，其制(zhi)備過程一般是(shi)：石墨-氧化石墨-氧化石墨烯-石墨烯。由于石墨烯的結構十分穩(wen)定、導熱系(xi)數也極(ji)高、同時還是(shi)目(mu)前(qian)自(zi)然界(jie)中(zhong)強(qiang)度最大(da)的物質(zhi)，因此它具有較良(liang)好的導電性、導熱性和機械特性。
目前，石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)的(de)(de)(de)制備(bei)(bei)方法(fa)(fa)常見的(de)(de)(de)有(you)化(hua)學氣相(xiang)沉積法(fa)(fa)、晶(jing)體外延生(sheng)長法(fa)(fa)、膠體懸(xuan)浮液法(fa)(fa)以及微機械(xie)剝離法(fa)(fa)等(deng)。應(ying)(ying)用(yong)(yong)于(yu)水(shui)處理中的(de)(de)(de)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)一般采用(yong)(yong)化(hua)學方法(fa)(fa)來進行(xing)制備(bei)(bei)，又由于(yu)要考慮制備(bei)(bei)成本及規模，通常使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)是氧化(hua)還原法(fa)(fa)。氧化(hua)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)正常情況下是由石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)經過化(hua)學氧化(hua)和超聲制備(bei)(bei)而得，由于(yu)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)的(de)(de)(de)來源廣泛，較為廉價，氧化(hua)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)利于(yu)大規模化(hua)的(de)(de)(de)生(sheng)產，并且(qie)氧化(hua)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)具有(you)羥基(ji)、羧基(ji)和環(huan)氧基(ji)等(deng)含氧基(ji)團(tuan)，具有(you)親水(shui)性，能夠相(xiang)溶于(yu)多種容積，很(hen)適(shi)合(he)應(ying)(ying)用(yong)(yong)于(yu)水(shui)處理工程中。
目前常見(jian)(jian)的石(shi)(shi)墨氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)法的基本原理是用強(qiang)酸對石(shi)(shi)墨進行(xing)處(chu)理，使之形成石(shi)(shi)墨層間化(hua)(hua)(hua)合物，再把強(qiang)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)加(jia)入其中(zhong)對其進行(xing)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)，最為常見(jian)(jian)的就(jiu)是Hummers法，它能(neng)有效減少制備的時間，提高安全性。
在水(shui)處理工程(cheng)的(de)(de)應用中(zhong)，石墨(mo)烯自(zi)身的(de)(de)憎水(shui)性(xing)(xing)(xing)(xing)及易聚集性(xing)(xing)(xing)(xing)約(yue)束了它的(de)(de)應用范圍，因此研究(jiu)具有(you)較強的(de)(de)親水(shui)性(xing)(xing)(xing)(xing)和生物相(xiang)容性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)復合(he)(he)(he)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，是目前石墨(mo)烯材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)具體(ti)研究(jiu)方向。在制(zhi)備(bei)石磨洗(xi)復合(he)(he)(he)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)時，首先要(yao)知道石墨(mo)烯的(de)(de)表(biao)面是穩定(ding)惰(duo)性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)，很(hen)難與溶劑相(xiang)溶，也不能和其他無機(ji)(有(you)機(ji))材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)進行復合(he)(he)(he)，因此首先要(yao)把氧化石墨(mo)烯和納(na)米材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)進行復合(he)(he)(he)，再對復合(he)(he)(he)后的(de)(de)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)進行還原，即(ji)可獲得石墨(mo)烯復合(he)(he)(he)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)。
石墨烯(xi)及其復合材料(liao)在水處理中的應用(yong)
石(shi)墨烯(xi)及其復(fu)合材料(liao)主(zhu)要作(zuo)(zuo)為水處理(li)工程中(zhong)的(de)吸附劑。石(shi)墨烯(xi)不止擁有(you)良(liang)好的(de)儲氫能力(li)，還能用于氣(qi)體分子傳感器，它主(zhu)要吸附無極陰離子和(he)(he)有(you)機(ji)物(wu)(wu)這(zhe)兩(liang)種(zhong)污染(ran)物(wu)(wu)。大(da)分子的(de)有(you)機(ji)污染(ran)物(wu)(wu)能夠和(he)(he)石(shi)墨烯(xi)表面的(de)基團相(xiang)互作(zuo)(zuo)用，生成穩定的(de)復(fu)合物(wu)(wu)，石(shi)墨烯(xi)對于這(zhe)種(zhong)污染(ran)物(wu)(wu)的(de)吸附能力(li)較強，因此較多(duo)學著對石(shi)墨烯(xi)吸附去除有(you)機(ji)染(ran)料(liao)進(jin)行了研(yan)究。
相(xiang)較(jiao)于其(qi)他納米(mi)材料，石(shi)墨烯的(de)吸附(fu)能力更(geng)強，甲級(ji)藍(lan)由于具有(you)大(da)分(fen)子(zi)和(he)苯環(huan)(huan)，石(shi)墨烯的(de)吸附(fu)速(su)度更(geng)快，吸附(fu)容量更(geng)大(da)。另外，當進行過五次(ci)吸附(fu)-脫(tuo)附(fu)循(xun)環(huan)(huan)后，石(shi)墨烯對甲基(ji)藍(lan)的(de)吸附(fu)效果依(yi)然保持不(bu)變。其(qi)中要(yao)注意(yi)，由于有(you)機(ji)染料和(he)石(shi)墨烯間電子(zi)傳(chuan)遞(di)的(de)速(su)度和(he)作用(yong)機(ji)理不(bu)同，表面帶正電荷的(de)有(you)機(ji)物和(he)石(shi)墨烯之間的(de)電子(zi)傳(chuan)遞(di)速(su)度更(geng)快。
石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)的(de)功能(neng)(neng)化(hua)不僅可以對(dui)石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)的(de)邊緣或缺點進行化(hua)學修(xiu)飾，連(lian)入新的(de)官能(neng)(neng)團(tuan)或分子(zi)(zi)(zi)鏈(lian)，還可以在(zai)分子(zi)(zi)(zi)間的(de)相互作用(yong)力(li)或離(li)子(zi)(zi)(zi)鍵作用(yong)的(de)基礎上，引入修(xiu)飾分子(zi)(zi)(zi)或離(li)子(zi)(zi)(zi)，加強石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)在(zai)溶劑中穩定(ding)分散(san)的(de)能(neng)(neng)力(li)。功能(neng)(neng)化(hua)石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)對(dui)無機污染物的(de)研究擴大了(le)它在(zai)水處理(li)工程中的(de)應用(yong)范(fan)圍(wei)。
氧化石墨烯(xi)和殼(ke)聚糖形(xing)成(cheng)的復合材料對金屬(shu)污染物的吸(xi)附(fu)能力更強(qiang)，經過試驗表(biao)明(ming)，氧化石墨烯(xi)/殼(ke)聚糖對于金元素和鈀元素這兩(liang)種金屬(shu)離子的吸(xi)附(fu)是在自(zi)發和放熱的過程(cheng)中進行的，并且適(shi)用的pH值范圍較大(da)，脫附(fu)的過程(cheng)也比(bi)較高效。
氧(yang)化(hua)石(shi)墨(mo)烯(xi)和(he)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)(liao)生成(cheng)的(de)復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)能(neng)夠(gou)加強(qiang)材(cai)料(liao)(liao)的(de)表面性(xing)能(neng)，具有更(geng)強(qiang)的(de)吸(xi)附(fu)(fu)性(xing)，這種復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)的(de)吸(xi)附(fu)(fu)能(neng)力(li)主要(yao)由pH值(zhi)和(he)離子強(qiang)度決定。并(bing)且(qie)(qie)這種復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)性(xing)質(zhi)較為穩定，容易(yi)再生，在(zai)反(fan)復(fu)利用多次(ci)之后，吸(xi)附(fu)(fu)能(neng)力(li)也能(neng)恢復(fu)到原始飽和(he)吸(xi)附(fu)(fu)容量的(de)90%左右。氧(yang)化(hua)石(shi)墨(mo)烯(xi)和(he)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)(liao)生成(cheng)的(de)復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)最明(ming)顯的(de)優勢是對環境污染性(xing)極小，可降解，吸(xi)附(fu)(fu)速(su)度較快且(qie)(qie)易(yi)分(fen)離。
還(huan)原氧(yang)化(hua)石(shi)(shi)墨烯(xi)在水處(chu)理工程中的(de)應用也較(jiao)為廣泛。還(huan)原氧(yang)化(hua)石(shi)(shi)墨烯(xi)一般可以(yi)(yi)用化(hua)學法、熱剝(bo)離(li)(li)法、紫外光(guang)輻射法及微波法等(deng)方法把氧(yang)化(hua)石(shi)(shi)墨烯(xi)表(biao)面的(de)某些基團(tuan)(tuan)還(huan)原就(jiu)可以(yi)(yi)獲得(de)。因(yin)為膨化(hua)的(de)氧(yang)化(hua)石(shi)(shi)墨烯(xi)表(biao)面含有羥基、羧基和環氧(yang)基等(deng)含氧(yang)基團(tuan)(tuan)且帶有負(fu)電荷，對(dui)(dui)于吸附陽(yang)離(li)(li)子性的(de)染料具有很好的(de)效果，但(dan)是對(dui)(dui)于吸附陰離(li)(li)子性的(de)染料的(de)效果不太(tai)好。
研(yan)究人員經(jing)過之(zhi)言發現靜電作(zuo)用(yong)(yong)在(zai)吸(xi)附去除有機染料的(de)過程中(zhong)起著極為(wei)重要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)(yong)，其中(zhong)要(yao)特別注意的(de)是(shi)，采用(yong)(yong)不(bu)同的(de)還原方法制備的(de)還原氧化石墨烯會有不(bu)一樣(yang)的(de)表面電勢，這將會影響它們在(zai)水處理工程中(zhong)的(de)應用(yong)(yong)。
此(ci)外，由于(yu)石(shi)墨烯具有較(jiao)(jiao)為優秀的(de)(de)(de)電子傳輸性(xing)(xing)，在(zai)光電轉化(hua)和光催化(hua)工(gong)程(cheng)(cheng)中把石(shi)墨烯類碳材料與(yu)光催化(hua)材料進行(xing)結(jie)合(he)(he)之(zhi)后，應用于(yu)水(shui)處理工(gong)程(cheng)(cheng)中，這(zhe)樣就(jiu)能(neng)(neng)有效(xiao)發揮兩種材料的(de)(de)(de)協同效(xiao)應。與(yu)在(zai)水(shui)中和極性(xing)(xing)溶(rong)劑中較(jiao)(jiao)難(nan)分散的(de)(de)(de)石(shi)墨烯相比，氧化(hua)石(shi)墨烯由于(yu)其表面含有較(jiao)(jiao)多的(de)(de)(de)含氧基(ji)團，有很好(hao)的(de)(de)(de)親水(shui)性(xing)(xing)，能(neng)(neng)通過(guo)功能(neng)(neng)基(ji)團與(yu)其他聚合(he)(he)物穩固結(jie)合(he)(he)形成復(fu)合(he)(he)物，能(neng)(neng)夠穩定的(de)(de)(de)分散在(zai)水(shui)溶(rong)液中，制備過(guo)程(cheng)(cheng)簡單，利于(yu)大規模生(sheng)產(chan)。
氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)不止能(neng)夠和乙烯(xi)(xi)(xi)醇聚(ju)合物(wu)及聚(ju)氧(yang)化(hua)(hua)乙烯(xi)(xi)(xi)等水(shui)(shui)溶性聚(ju)合物(wu)復合，還能(neng)同姑婆水(shui)(shui)溶性乳膠法獲得(de)新復合材料。氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)表面的環(huan)氧(yang)基(ji)、羥基(ji)、羧基(ji)等含氧(yang)基(ji)團可與金(jin)屬離子，特別是多(duo)價(jia)金(jin)屬離子進(jin)行絡合反(fan)應，并且氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)還能(neng)夠與有機(ji)污染物(wu)相(xiang)互作用(yong)，所以氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)還可以除去水(shui)(shui)中的金(jin)屬和有機(ji)污染物(wu)。另外與碳納(na)米管相(xiang)比較，氧(yang)化(hua)(hua)石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)的制備成本更低(di)，制備過程也更簡(jian)單。具體的二氧(yang)化(hua)(hua)硅/石(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)復合材料合成路(lu)線圖如(ru)圖2所示，為(wei)此類研究(jiu)作參考。
二(er)氧化(hua)鈦與氧化(hua)石墨烯生成(cheng)的(de)(de)復合材料除了可以加大吸(xi)附能(neng)(neng)力(li)(li)、加強電(dian)子(zi)傳輸能(neng)(neng)力(li)(li)之外還能(neng)(neng)提高二(er)氧化(hua)鈦的(de)(de)光催化(hua)性，經(jing)研究表明，二(er)氧化(hua)鈦和(he)氧化(hua)石墨烯的(de)(de)復合方法很多，復合形成(cheng)的(de)(de)新復合材料的(de)(de)去污能(neng)(neng)力(li)(li)更強。
結束語
就目前的這(zhe)些研(yan)究而言，石(shi)墨(mo)烯及其復合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)在(zai)水處理中(zhong)的應用的關(guan)鍵突(tu)破(po)在(zai)于材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)和環境治(zhi)理的交叉研(yan)究。研(yan)究新型(xing)的石(shi)墨(mo)烯復合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)主要是按照(zhao)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)自身的去污的特性，和石(shi)墨(mo)烯類碳材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)復合(he)，加(jia)強材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)在(zai)吸附、電(dian)子傳遞及還(huan)原等方面的能力。
另外，石(shi)墨(mo)烯及其(qi)復(fu)合材料(liao)(liao)的(de)(de)穩(wen)定(ding)性不(bu)高，制(zhi)備大量而穩(wen)定(ding)的(de)(de)石(shi)墨(mo)烯復(fu)合材料(liao)(liao)也是石(shi)墨(mo)烯應(ying)(ying)用(yong)于水處理(li)(li)的(de)(de)主要問題。為(wei)了使石(shi)墨(mo)烯及其(qi)復(fu)合材料(liao)(liao)廣泛地應(ying)(ying)用(yong)于水處理(li)(li)工程中(zhong)，仍(reng)然需要科研(yan)人(ren)員的(de)(de)不(bu)斷探索與實踐。
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