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石墨烯及其复合材料在水处理中的研石墨烯及其复合材料在水处理中的研究摘要：石墨烯作为一种新型碳纳米材料，具有巨大的比表面积、较高的机械强度和稳定的化学性质等优点，在诸多领域有广泛的应用。石墨烯因具有巨大的比表面积和高的反应活性，作为一种优异的吸附材料在水处理方向具有较好的应用前景。本文概述了石墨烯及其复合材料在水处理方面的研究进展。石墨烯及其复合材料对于处理重金属离子和有机污染物质的吸附效果好，吸附容量高。最后对其在水处理中的应用前景做了展望。关键词：石墨烯；复合材料；吸附；水处理引言石墨烯（graphene，GN）自2004年发现以来,由于具有独特的结构与性能，很快成为新材料研究领域的热点。石墨烯是一种sp2杂化的碳原子以六边形排列的周期性蜂窝状二维碳质新材料[1]。石墨烯具有独特的物理化学性质[2]，除强度较高外，其理论比表面积竟高达2630m2/g，孔隙结构较丰富，这一点使其成为良好吸附材料的基础[3]。除此之外，还具有良好热导率和电导率[4]～[5]，可在传感器、电极材料、储氢材料等应用[6]。石墨烯作为水处理材料，在环保领域拥有广阔的应用前景。这主要是因为，它具有二维的平面结构、开放的孔结构、良好的柔韧性、稳定的化学特性、巨大的比表面积等优点；石墨烯的比表面积比碳纳米管更大，吸附能力更强。从而应用石墨烯的优异性能，可将其加工成催化材料、吸附材料和过滤材料等，可以有效吸附水中的多种污染物。同时，由于制造石墨烯的石墨来源比较广泛，且石墨烯相比碳纳米管价格比较低廉，制备过程简单，许多学者开始研究石墨烯在水处理中的应用[7]～[8]。本文介绍了石墨烯与水处理相关的主要性能，综述了石墨烯及其复合材料在水处理中的研究进展，并对当今石墨烯材料在水处理研究中遇到的挑战和问题做了进一步分析，对今后这一领域的研究作了展望。1石墨烯及其复合材料在水处理中的研究1.1石墨烯石墨烯因其吸附原理简单、费用低及处理效果好等优点广泛应用在水环境治理中。巨大的比表面积使石墨烯成为良好的吸附材料。作为吸附剂在水处中的相关研究主要集中在吸附两类污染物：有机物与无机阴离子[9]。水中的有机污染物易与石墨烯表面发生相互作用，形成稳定的复合物，进一步得到去除。因而许多学者主要研究了石墨烯吸附去除水中的有机染料。Liu等人研究了石墨烯在不同温度、pH值、接触时间和浓度下对亚甲基蓝的吸附，研究发现石墨烯最大吸附量高达到153.85mg/g，吸附等温线符合Langmu模型[10]。Wu等人研究了石墨烯对丙烯腈、甲苯磺酸及甲基蓝的吸附，与其他碳纳米材料相比，石墨烯表现出较强的吸附能力，甲基蓝因为有苯环和大分子，从而使石墨烯的吸附速度更快，吸附容量更大[11]。Li等人研究了石墨烯在不同温度、pH值、反应时间下对氟化物的吸附性能，结果发现在298K下,当氟化物的初始浓度为25mg/L时,石墨烯的吸附量可达17.65mg/g[12]。石墨烯对无机污染物的吸附研究使其在水处理领域的研究进一步扩大。但是由于石墨烯表面活性官能团较少，因此许多研究者针对石墨烯进行修饰和改性后，将其应用于重金属的吸附，取得了较好的吸附效果，甚至可以实现多种重金属离子的同时吸附去除[13]。1.2石墨烯复合材料由于石墨烯自身具有憎水性和易聚性的特点，从而限制了其在水处理领域中的应用，研究亲水性和生物相容性的复合材料是新型石墨烯材料的研究方向。石墨烯表面呈现稳定的惰性，不利于在溶剂中溶解，更难与其他有机或无机材料均匀地复合。因此，制备石墨烯复合材料大多是先将氧化石墨烯与纳米材料复合，再将复合后的材料还原得到石墨烯复合材料。石墨烯复合材料在水处理中的研究应用比较广泛。目前应用的途径主要有两种：一是吸附、降解污染物使其变成小分子物质；二是将污染物从高价态还原成低价态，主要去除有毒性的高价态金属离子[14]～[15]。1)石墨烯与SiO2的复合SiO2价廉、无毒害、化学稳定、且具有生物相容性等特点，对石墨烯表面采用纳米材料修饰可以解决石墨烯自身易聚性问题[16]。Hao等人采用两步合成法合成SiO2-石墨烯复合物，用于对Pb2+的去除研究，研究表明该复合物对于Pb2+的去除效果较好，吸附容量远高于单独纳米SiO2的应用，且该复合物可以迅速达到吸附平衡，具有明显的优势[17]。2)石墨烯与壳聚糖的复合壳聚糖是应用最广的天然有机材料，Cheng等人用简单的加热方法合成壳聚糖-石墨烯复合材料，该复材料具有较大的比表面积和独特的介孔结构。试验研究发现壳聚糖-石墨烯对RB5的去除效果较好，壳聚糖-石墨烯复合材料在水处理中有一定的应用前景[18]。3)石墨烯与金属及其氧化物的复合石墨烯与金属及其氧化物形成的复合材料在水处理中的应用一般需要依赖金属及其氧化物本身的特性。对环境友好的金属如Mn和Fe及其氧化物优先选用于与石墨