石墨烯吸附材料的制备与应用研究进展_杨胜韬_赵连勤.pdf

第40卷第2期西南民族大学学报·自然科学版Mar.2014
JournalofSouthwestUniversityforNationalitiesNaturalScienceEdition
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doi:10.3969/j.issn.1003-4271.2014.02.08【特约专稿】

石墨烯吸附材料的制备与应用研究进展

杨胜韬,赵连勤
(西南民族大学化学与环境保护工程学院,四川成都610041)

摘要:石墨烯具有独特的结构、优异的性能,在诸多领域有广泛的应用.石墨烯层的原子均为表面原子,其表面积非
常大,是天然的吸附材料.其易于制备、成本低廉等优势使得石墨烯吸附材料成为水处理研究中的热点.石墨烯及其复
合材料已经在重金属、染料、杀虫剂、抗生素、石油等污染物的治理方面得到应用.综述了石墨烯吸附材料的制备方法
以及其在污水处理方面的应用.分析了污染物在石墨烯吸附材料上的吸附行为,并讨论了石墨烯与污染物的相互作用.
着重关注官能团对石墨烯吸附材料性能的影响,从化学视角提出了设计高效石墨烯吸附剂的思路.
关键词:石墨烯;吸附材料;污水处理;纳米技术
中图分类号:O613,X703文献标识码:A文章编号:1003-4271(2014)02-0203-16

石墨烯是近年来备受关注的明星材料,具有独特的结构和性质[1-2].结构上,石墨烯可以视为是单层的石墨,由
sp2杂化的碳原子组成六元环是其基本结构单元.石墨烯也被视作构筑其他sp2碳材料的基础,如富勒烯、碳纳米管
(CNTs)和石墨[1-2].石墨烯的独特结构使得它具有很多奇特的性能与应用,在很多领域已经展示了巨大的潜力.研究
表明石墨烯在电子、能源、先进材料、催化、生物医学以及环境科学等相关领域有重大的应用价值[3-6].例如,石墨烯
具有优良的电学性能,可以用于场效应管、集成电路、透明导电薄膜、柔性锂电池等[4].石墨烯力学性能优越,其强
度是钢的100倍以上,可以用于制造轻质的高强度材料[6].石墨烯具有光电转换性能,已经被用于制造光电转换装置,
如太阳能电池和显示器[3].石墨烯材料具有良好的生物相容性,可以用于药物载带、活体成像、生化分析以及生物组
织工程等[5].商业化的生产石墨烯产品研发也已经受到业界的重视.
在这诸多应用中,石墨烯在污水处理中的应用是最有可能实现产业化的石墨烯技术之一[7].石墨烯以及它的衍生
物有许多作为吸附材料的天然优势.首先,石墨烯是单层的结构,所有的原子都是表面原子,因而石墨烯具有极大的
比表面积.石墨烯的有效吸附表面甚至要比CNTs的还要高,这是因为污染物很难扩散进入CNTs的内表面.其次,与
传统的吸附剂相比,污染物在石墨烯吸附材料上的吸附有着较快的吸附动力学.石墨烯吸附材料的孔状结构使得污
染物具有更高的扩散速率,并直接导致更高的吸附速率.再者,相较其他高效吸附材料,石墨烯吸附材料的生产成本
更低.最后,石墨烯吸附材料能同时处理多种污染物.石墨烯吸附材料处理重金属、染料、小分子有机污染物和油污
等都有较高的吸附量[7].如前所述,石墨烯吸附剂的优势已经得到证实和广泛认可.为了适应不同的需求,石墨烯吸
附材料的官能化是重要途径.污染物在石墨烯上的吸附行为和影响因素也已经被逐渐揭示.这些激动人心的研究成
果正激励着更多石墨烯吸附材料的研究.
在取得巨大进展的同时,石墨烯吸附材料的研究还存在着许多亟待解决的问题.首先,即使同样类型的石墨烯材
料在文献中也被报道出差异巨大的吸附量和吸附行为,缺乏一个统一的衡量标准来判断石墨烯吸附材料的优劣.这
种巨大差异可能是源于起始原料、制备方法和实验批次的不同.其次,石墨烯吸附材料的物理化学性能如何影响石墨
烯吸附材料的性能尚不清楚.这严重阻碍了设计高效石墨烯吸附材料的研究.最后,用石墨烯吸附材料处理实际污水
样品方面的报道极少.现有文献主要基于模型污染物的开展研究.因此,总结和分析石墨烯吸附材料取得的进展和不
足是很有必要的.
本文综述了石墨烯吸附材料的制备方法及在污水处理中的应用.针对不同类别的石墨烯吸附材料,总结了制备
方法的基本方法和吸附量、吸附动力学、吸附热力学等性质.探讨了石墨烯与污染物之间的相互作用,从物理化学的
角度探讨影响石墨烯吸附材料性能的因素.本文还从化学视角为设计高效石墨烯吸附材料提出了一些思路.
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收稿日期：2014-02-18
作者简介：杨胜韬(1985-),男,博士,副教授,研究方向:碳纳米材料的制备、应用及安全性研究.Email:[e-mail].
基金项目:四川