石墨烯及其复合材料在环境领域中的应用研究进展

郝巧娥 杨霈霖

摘要：石墨烯是一种具有比表面积大、载流子迁移率高、机械强度高等优异特性的二维纳米材料。因其在纳米技术和环保方面的巨大潜力，自2004年被发现以来即受到众多领域的关注。首先介绍了石墨烯的优异特性及其制备方法；其次重点阐述了十几年来石墨烯及其复合材料在光催化、电催化、Fenton、微生物燃料电池、海水淡化、吸附等环境领域中的国内外研究进展及主要成果，并总结了在以上领域中的作用机理；最后对其在环境领域中的应用前景进行展望。

关键词：石墨烯；复合材料；环境；应用研究

引言

当今社会工业和技术的快速发展给人们带来便利的同时，也不可避免地造成了环境污染。各国学者致力于研发新的技术或工艺，以期提高污染物的去除效率，石墨烯及其复合材料优越的物理化学性能使其成为解决环境污染问题最具潜力的手段之一，目前备受环保领域关注。

1石墨烯的制备方法

石墨烯的制备方法主要包括：微机械剥离法、氧化石墨还原法、化学气相沉积法、外延生长法、电化学方法等，不同方法制得的石墨烯具有不同的理化性质。机械剥离法显然不能满足工业化需求；氧化石墨还原法虽然能够以相对较低的成本制备出大量的石墨烯，然而石墨烯的电子结构以及晶体的完整性均受到强氧化剂严重的破坏，使其电子性质受到影响，一定程度上限制了其在微电子器件方面的应用。化学沉积法虽然可以制得大面积且性能优异的石墨烯，但现阶段工艺的不成熟以及较高的成本限制了其大规模的应用。外延生长法制备的石墨烯表现出较高的载流子迁移率等特性，但观测不到量子霍尔效应。电化学法可制备出离子液体功能化的石墨烯，但制备的石墨烯片层大于单原子层厚度。因此大量、低成本制备出高质量的石墨烯材料仍然是现在研究的热点，也是未来研究的一个重要方向。

2石墨烯及其复合材料在环境领域的应用

2.1光催化领域

在催化降解污染物技术中，光催化处理技术以其清洁、无污染、反应温度低且能利用太阳能等优点而备受推崇。但是一些常规光催化剂，如TiO2、ZnO、SnO2、Bi2WO6、V2O5、Cu2O等，受激发产生的电子-空穴对复合率高，致使其量子效率和光催化活性低，并且这些常规光催化剂仅能利用紫外光（UV），浪费了太阳光中的可见光光源。因此，为提高催化剂的催化活性，部分研究尝试将石墨烯与催化剂进行复合，制备新型催化材料。复合材料具有较高的催化性能与可见光利用率，不仅可以用于废水中污染物的处理，还能应用于空气污染控制。WANG等；研究了石墨烯含量对光催化降解空气中丙酮的影响，认为其最佳质量分数为0.05%，与TiO2和商业P25相比，复合材料的光催化活性分别提高1.7倍和1.6倍？石墨烯主要从以下3个方面来提高负载型光催化剂的性能：石墨烯具有高导电性？高载流子迁移率的性质，能迅速传导光生电子，降低常规催化剂电子-空穴对的复合概率，延长光生电子-空穴对的寿命；石墨烯的比表面积大，为光催化反应提供丰富的反应位点，促使电子-空穴对产生羟基自由基和活性氧，進而提高光催化效率石墨烯在一定程度上能减小催化剂的禁带宽度，使可利用光线扩增至长波长光区，从而提高催化剂对可见光的利用率。

2.2电催化领域

电催化技术因其反应条件相对温和、无副产物、催化速率高等优点被广泛应用于去除难降解污染物。三维电极体系在传统二维电催化系统中加入了粒子电极，通过提高体系的相对反应面积，增加活性点位而提高系统的处理效率。现阶段，国内外对三维电极体系的研究主要集中在新型粒子电极的制备方面。以石墨烯代替常规粒子电极（包括活性炭、多孔陶瓷、氧化铝等多孔材料）应用于三维电极体系中的研究已逐渐开展。

2.3微生物燃料电池（MFC）领域

MFC是一种利用微生物将废水中的有机物氧化分解，从而将化学能转换为电能的生物反应器，被认为是一种在污水净化的同时实现能源储存的清洁技术。电极材料决定MFC的产电性能和成本。Pt及其合金对催化活性高、过电位低，被广泛用作MFC阴极催化剂，但其资源稀少、价格昂贵、ORR动力学慢等缺点，严重影响MFC的规模化生产。因此，亟需开发ORR速率高的低成本阴极催化剂，研究发现，纯石墨烯的ORR催化活性较低，不适合直接用作MFC的阴极催化剂、LIN等；将石墨烯进行改性制备出NG-900，结果表明，其ORR催化活性较高，在电解液中耐甲醇毒化能力？稳定性均超过常规Pt/C催化剂，在氮掺杂石墨烯中，氮原子与碳原子具有不同电负性，碳原子之间的大π键与氮原子的孤对电子可以形成离域共轭体系，从而改变碳原子的电荷分布和自旋密度来改善其吸附特性；在氮掺杂石墨烯表面能够产生有利于ORR 4电子转移的“活性位点”，因此提高了氮掺杂石墨烯的催化活性。石墨烯的优异特性有利于电解质扩散到阴极，并为电化学过程提供较大的比表面积，进而提升MFC的性能？

2.4海水淡化领域

沿海地区水资源短缺是制约其经济发展及环境保护的关键问题，海水淡化技术让水源实现了开源增量，为沿海地区的循环经济发展奠定了基础。目前，世界上海水淡化系统主要采用的是反渗透（RO）技术，约占全球海水淡化处理系统的45%。RO装置中使用的常规聚合物膜易结垢，在高压下其通量下降速率快，且对高温、酸碱、氯和有机溶剂的耐受性低，这些问题的存在促使了新型膜组件的研发。近年来，石墨烯因其独特的超薄结构？高机械强度而被认为是海水脱盐RO膜的最佳材料。

2.5吸附领域

常用的吸附剂有活性炭、粘土、壳聚糖活性氧化铝等，然而这些吸附剂都存在不足，如吸附容量小、不易分离回收、再生效率低等、石墨烯自问世以来，由于其较强的吸附能力，已成为吸附领域研究的热点。石墨烯对重金属具有优异的吸附能力。YOON等合成磁铁矿/非氧化石墨烯复合材料（M-nOG），作为吸附剂去除废水中的砷。吸附24h后，M-nOG对As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的吸附量分别为38、14mg/g，M-nOG的吸附能力远高于之前报道的磁性纳米颗粒吸附剂（如磁性多颗粒纳米团簇、赤铁矿包裹磁铁矿颗粒、商业纳米磁铁矿。研究发现，表面络合作用使亚砷酸盐被M-nOG高效吸附；M-nOG对砷酸盐的吸附效率更高。金属离子一般受到表面络合？静电引力和表面沉淀等共同作用而被吸附到石墨烯上。

3研究结论

石墨烯及其复合材料能够在环境领域得以应用主要依赖于以下几方面的优异特性：（1）石墨烯的超大比表面积有助于吸附污染物并能提供丰富的反应位点；（2）高导电性能促进电子转移，有利于石墨烯及其复合材料光电化学反应的进行，从而提高光电催化活性。（3）石墨烯表面具有的官能团与掺杂的元素之间能够形成协同作用，提高了与目标污染物的反应速率。与常规材料相比，石墨烯及其复合材料的性能明显提升，在环境领域的应用已经取得了一定的成效。但是，由于复合材料制备成本和稳定性等因素的制约，目前石墨烯及其复合材料大部分仍停留在在实验室研究阶段，未在实际工程中大规模应用。因此成本低、品质高的石墨烯及其复合材料仍有待研发。石墨烯复合材料的改性机理需要深入研究，为复合材料改性提供理论依据。随着科学技术的发展，石墨烯及其复合材料将会在环境领域发挥更大的作用，进一步提高环境污染治理效率。

4结语

科技的进步是一把双刃剑，近年来随着石墨烯的大量生产与使用，其不可避免会进入到水体、土壤、大气及生物体中，从而给生态环境和人类健康带来风险。GUO等成功合成了14C同位素标记的石墨烯，发现石墨烯能进入到斑马鱼体内，并且有可能将石墨烯转移给下一代。这有可能会给人类健康、生态环境带来风险，因此需要引起足够的重视。因此，需要对石墨烯在环境中的行为和归趋进行深入研究，科学评价石墨烯带来的环境风险，为石墨烯的合理利用、排放、后期处理提供参考依据。

参考文献：

[1]曹艳艳.石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用[J].河南科技，2014（11）：71.