氧化石墨烯性质及其应用前景

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

氧化石墨烯性质及其应用前景

黄倩雯楚英豪

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

氧化石墨烯具有比表面积大、机械稳定性高和光学性能强等优点。通过设计氧化石墨烯基复合材料可以应用于储氢材料、光解水催化剂、去除空气污染物、水净化以及各种锂电池电极。本文对氧化石墨烯性质进行了阐述，在能源储存、转换和环境保护应用方面具有一定优势及良好前景。

氧化石墨烯 能源转化 环境保护 工业应用

1 前言

2 能量转换与储存

2.1 光解水产氢

在未来，氢能源被认为是一种清洁的可再生能源。氢气的生产和储存对于氢气的利用至关重要。在可见光照射下的半导体光催化剂进行水分解是一种具有潜力的获取氢能源的方式。在实际应用中,这种技术具有无法利用可见光,能量补偿不合理,和反应接触面积小等缺点。由于优越的电子移动性，高比表面积，可调节的电子能带结构，氧化石墨烯基复合材料已经被开发成为了光解水的高效催化剂。研究表明，在汞光照射下，即使没有Pt催化剂，氧化石墨烯在2.4-4.3 eV能带下仍然具有光解产氢的催化活性[5]。由于氧化石墨烯片状材料拥有更高的氧化能力，较大的能带和对于光吸收的限制，氧化石墨烯更有利于帮助达到光分解水产氢的目的。

2.2 储氢

目前，氢能源储存方式可以分为化学储存和物理储存。化学存储的氢化物虽然通常具有较高的氢含量，但其氢释放性能不理想。物理存储由于受到H2分子弱吸附性能的影响，导致存储能力普遍较低，并且物理存储要求其存储设备条件较高，在满足较大的表面积同时重量要轻。

2.2.1 物理储氢

在原二维石墨烯纳米薄片上，H2分子的弱吸附能(只有1.2 kJmol-1)通常会导致非常低的储氢能力(<2 wt%)[6]。然而在大气压力下，层状氧化石墨烯材料可以高达4 wt%的高储氢能力，并且可以通过调整层间距和孔隙大小来提高储氢容量。氧化石墨烯表面官能团与其他活性物种进一步合成可以提高H2的结合能，在克服金属聚集的缺点下，掺杂金属(特别是过渡金属)对氧化石墨烯进行改性是提高H2结合能和储存能力的一种有效方法。氧化石墨烯基的复合材料特别是3D柱状多孔材料表现出了良好的氢气储存性能和能源应用潜力。

2.2.2 化学储氢

水合物储氢的方式的主要缺点在于氢能释放时的温度过低。由于氧化石墨烯的高比表面积和较强的化学稳定性，可以作为载体来分散和稳定金属纳米颗粒用于催化和分离H2分子。由氧化石墨烯作载体的贵金属催化剂如Pt-CeO2/GO具有稳定活性中心的协同效应并且增加了催化剂的催化活性。

2.3 锂电池

为满足日益增长的便携式电子产品和电动汽车的需求，锂电池为未来的能源储存和利用提供了一种新的方式。氧化石墨烯表面的官能团可以作为化学改性优化的活性位点，从而使不同的活性物种形成并提供多元电极材料结构。作为普遍使用可充电电池，传统电极材料的锂离子电池具有理论容量限制的缺点，而氧化石墨烯基复合材料无论作为阳极和阴极材料都表现出了优越的电化学性能。在纯氧化物或硫氧化物的情况下，将还原氧化石墨烯加入金属氧化物或硫醚可以显著提高电池的性能。氧化石墨烯可以作为保护涂层，在锂电池使用中抑制铝电流收集器的腐蚀。

农村地区改革以来，村委会有着历史渊源和群众基础。因此，在执行村小组代表大会的决议时，不用再另外从村小组代表当中产生成员来组成一个执行机构，这样村民不一定接受。虽然村委会与公司当中的执行机构——董事会有所区别，但不得不承认农村集体经济组织有它自身的特殊性，让本来就熟悉情况的村委会作为执行机构，更能保障广大村民的基本利益和需求。同时，根据实际情况，可以让村长来担任“董事长”，鉴于其一直以来是村民在各个方面都认可的干部，有群众基础，能在最大限度保证村小组代表大会的决定被顺利执行，因而易于为村民所接受，执行力度上也更强。

3 环境保护

3.1 处理有害气体

工业释放的温室气体和有毒气体是对环境的最大威胁之一。原则上，去除空气污染物可分为三种途径:(1)减少气体排放，(2)气体收集和储存，(3)最终利用。氧化石墨烯表面的含氧官能团使其能够与各种分子进行共价和非共价的相互作用。在工业加工过程中，氧化石墨烯独特的电子结构也为处理有害气体提供了有效的催化剂。因此，氧化石墨烯基复合材料是用于处理CO、CO2、NH3和氮氧化物等有害气体的潜力材料。

3.1.1 吸附二氧化碳

薄层氧化石墨烯在水分子环境下具有良好的吸附性能。分子动力学模拟表明，氧化石墨烯的官能团能够增强对二氧化碳的吸附能力。水的存在有助于保持二氧化碳和氧化石墨烯结构的整合状态，并通过二氧化碳和附在氧化石墨烯表面上的含氧基团之间的排斥力作用来影响二氧化碳的迁移程度[7]。

3.1.2 除氨

除温室气体外，氧化石墨烯基复合材料具有良好的氨吸附能力。在氧化石墨烯中加入含氧基团和活性物质，如磺酸基、聚氧化合物、氧化锰等在水环境下可以提升其氨的吸附能力。此外，第一性原理计算表明，不同的活性位点能有效地促进氨和氧化石墨烯之间的电荷转移[8]。

3.1.3 去除其他有害气体

其他有害气体如甲醛、丙酮、硫化氢、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物，也可以通过氧化石墨烯基复合材料有效地去除。第一性原理计算结果表明，羟基和羰基基团以及附近的碳原子与氮氧化物的分子种类可以产生强烈的相互作用从而进行化学吸附[9]。

3.1.4 化学催化转化

除收集有害气体外，氧化石墨烯复合材料也可应用于空气污染物转化为一些有用的能源资源方面。四丁基溴化铵作为助催剂可以将二氧化碳转化为环氧丙烷，而氧化石墨烯-四丁基溴化铵复合材料催化剂在相对温和的条件下可以产生96%的碳酸丙烯酯[10]。多孔泡沫状的氧化石墨烯不仅是氧化剂，也是二氧化硫氧化成三氧化硫过程中的催化剂。除了作为催化剂本身，氧化石墨烯还可以作为一个高效催化剂载体用于转化为一氧化碳、二氧化碳和氨气等有害气体。

3.1.5 光催化转化

由于其独特的电子结构，氧化石墨烯复合材料是一种良好的光催化剂。铂改性氧化石墨烯和铂改性二氧化钛纳米管分别为阴极和阳极光催化剂，在二氧化碳转化为化学材料(甲醇、乙醇、甲酸和乙酸)方面具有高效的性能。由于Pt催化剂成本较高，可以用非贵金属催化剂进行替代。对Cu2O而言，还原氧化石墨烯涂层可以减缓电子空穴复合，促进电荷转移，极大地增强了催化活性。除二氧化碳外，氧化石墨烯胶体能够接收来自二氧化钛纳米晶体的光电子并与其在表面结合，可以增强二氧化钛纳米晶体的光催化活性。

3.2 净化水

除空气污染之外，水污染是另一个世界性的环境问题。水净化的有效处理方式可分为污染物的吸附和转化。废水中的污染物，特别是其中的重金属离子和有机染料，严重威胁人类、动物和植物的生产生活，而氧化石墨烯基复合材料对这些污染物通常表现出很强处理性能。

3.2.1 重金属离子吸附

由于表面含氧基团作为活性位点与Cu2+离子的相互作用引发了聚合反应，氧化石墨烯复合材料具有对Cu2+离子吸附能力。并且，由于纳米片状氧化石墨烯良好的结构稳定性，对于Cd2+、Co2+、Au3+、Pd2+和Pt4+离子的吸附能力比Cu2+更强[11]。

3.2.2 有机染料吸附

另一方面，氧化石墨烯复合材料本身在水中具有很强的去除有机染料的能力。由于氧化石墨烯和亚甲基蓝之间的静电相互作用和部分π-π键相互堆积作用，使得亚甲基蓝的去除效率高达99%。此外，氧化石墨烯也具有吸附各种有机染料的能力。

3.2.3 化学还原净化水

在酸性条件下，乙二胺涂层的氧化石墨烯由于碳六元环的π电子作用下，对于还原Cr4+至低毒性的Cr3+显示出了较高的转化效率。此外，在硫化钠催化还原亚硝基苯的过程中，氧化石墨烯的锯齿形边缘可以作为催化活性点位，而底面可以作为电子转移的导体。Co3O4涂层氧化石墨烯也对酸性橙和亚甲基蓝分解具有较高的化学催化能力。

3.2.4 光还原净化水

氧化石墨烯基材料作为光催化剂在毒性Cr4+离子和有机染料方面具有高转化效率。亚甲基蓝、甲基橙和水晶紫等有机染料也可以通过氧化石墨烯基光催化剂被有效地降解。除染料外，其他种类的有机污染物也可被光降解。除草剂2,4-二氯氢氧乙酸在模拟太阳光照射与掺杂银和氧化石墨烯的二氧化钛复合材料(Ag/RGO-TiO2)下，几乎被100%光解并具有良好的循环性[12]。环氧树脂和氧化石墨烯混合物显示了苯酚降解的光催化活性，CdS掺杂氧化石墨烯纳米复合材料在可见光照射下可以有选择性地光催化还原芳族硝基有机物。

4 总结与展望

通过掺杂其他活性物质，可以通过化学改性来优化氧化石墨烯。因此，氧化石墨烯复合材料具有其独特的表面化学性能和结构特征，如三维网络空间结构、较大的比表面积、可调节的电导率、较强的化学稳定性和极好的弹性。通过改变表面官能团浓度、调节带隙和电子逸出功的数值，氧化石墨烯材料可以作为光催化水分解、降解有机染料、减少有害气体或重金属离子的有效催化剂。此外,高比表面积和丰富的官能团为吸附各类气体提供了足够的空间和活性点位，因此氧化石墨烯复合材料可以进行CO、CO2、NO2、NH3气体吸附、重金属离子去除和有机染料降解。

尽管氧化石墨烯基复合材料的空气/水净化技术取得了巨大的进步，但是氧化石墨烯及其复合材料实际应用并不成熟。目前阐明氧化石墨烯基复合材料的作用机理和协同效应是至关重要的。在技术操作方面，提高氧化石墨烯基复合材料的热化学稳定性，并将氧化石墨烯复合材料具体实践于能源和环境应用仍是一个巨大的挑战。然而，通过结合氧化石墨烯优异的物理化学性质和掺杂修饰多用途纳米材料，在能源和环境应用方面有一个光明的前景，并且这一领域将持续快速发展，为社会带来巨大的进步。

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ThePropertiesofGrapheneOxideandItsApplicationProspects

HuangQianwen,ChuYinghao

(CollegeofArchitectureandEnvironment,SichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China)

Graphene oxide has advantages such as large surface area, high mechanical stability and high optical performance. It can be applied to hydrogen storage materials, photohydrolysis catalyst, removal of air pollutants, water purification and various kinds of lithium battery electrodes by designing the graphene-based composite. In this paper, the properties of graphene oxide are described, and the application of energy storage, conversion and environmental protection has certain advantages and good prospects.

graphene oxide; energy conversion; environmental protection; industrial application