石墨烯在吸附中的应用及发展
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纳米级的碳材料本身就可以担当一种有效的催化剂，在吸附方面有很好的应用潜力，
下面是小编搜集整理的一篇探究石墨烯在吸附中的应用发展的论文范文，供大家阅读查
看。
1、引言
随着世界人口的快速增长和工业化的迅猛发展，环境污染问题引起了人们的广泛关
注，特别是水体中有害物质的去除问题至关重要。目前，国际上常用的污水处理方法有膜
分离法[1]、微生物 理法处[2]、光催化降解法[3]、吸附法[4]及其它方法。这些方法在治
理和保护水体环境中起到了重要的作用。其中，吸附法和光催化降解法，由于本身具有低
能耗、高效率、方便大规模应用和应用对象广泛等特点[5-6],得到了科学界的广泛关注和
研究。吸附法在污水治理方面具有设备简单、效果显着、不易产生二次污染等优点，经吸
附法处理后，水体普遍好转且比较稳定[7].
目前，在工 上最常用的活性炭吸附业 剂,具有非极性表面，为疏水和亲有机物的吸附
剂，性能稳定、吸附容量大、解吸容易、抗腐蚀，经过多次循环使用仍可保持原有吸附性
能，在污水处理方面有很好的效果，但其成本较高、再生效率低，使该方法的广泛应用受
到了限制;活性氧化铝[9],无定形的多孔结构物质，极性强，对水又很高的亲和作用，对
含氟废气有很好的净化作用;沸石分子筛[10]
一种离子型吸附剂，孔径整齐均一，对不饱和有机物、极性分子有选择吸附能力，但
都存在各自的缺点，制约了其在现实生活生产中的应用。纳米级的碳材料本身就可以担当
一种有效的催化剂，在吸附方面有很好的应用潜力[11].自20xx 年Manches-ter 大学的
Geim 小组[12]首次采用机械剥离法获得单层或薄层的新型二维原子晶体-石墨烯以来，科
学界便 石墨 材料 行了广泛的研究与 。石墨 具有理想的平面二 构、良好的对 烯 进 讨论 烯 维结
电子性质、热学性质、光学性质、机械性质等，使其在纳米电子器件、催化剂、电池、电
容器、光电子器件、新型复合材料以及传感材料等方面有着广泛的应用前景[13].石墨烯
由碳原子以 sp2 杂化结构连成的单原子层结构，其理论厚度仅为0.35nm[14],石墨烯的单
原子厚度和二维的平面结构赋予了它独特的性能，如巨大的理论比表面积(2630m2/g),使
其可用来负载大量的各种分子，具有非常高的吸附容量，这使石墨烯在催化剂的负载方面
及污水吸附净化处理方面具有很大的应用潜力;石墨烯具有独特的面吸附特性及吸附特
性，对含有芳香苯环的有机污染物具有很高的吸附速度和容量;石墨烯中各碳原子之间的
连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面出现弯曲变形，避免了碳原子的重新排列
来适应外力，展现出优良的稳定性[15]; 种 定的晶格 构使其具有 异的 性，石这 稳 结 优 导电
墨烯的高电子迁移率[16](104S/cm)与导热性[17](5000W/(mK))使其在电化学催化剂与光
催化剂方面有重要应用及优越的机械性能、制备过程简单，价格便宜等特点，有助于在实
际生活生产中推广及应用[18].基于石墨烯优异的特性，发展石墨烯复合物等衍生物，对
污染物具有很好的吸附富集能力，在吸附净化上具有很好的应用前景[19].
2、石墨 在吸附中的 用及 展烯 应 发
水污染是目前环境污染的一个重要方面，其污染物种类比较多(如有毒有害难降解的有
机物、重金属离子等)严重威胁着生态安全[20].寻找新型绿色环保材料治理水体的问题，
以实现水体的净化刻不容缓。新型石墨烯吸附剂的优势在于拥较大的石墨层平面对含有苯
环的芳香族化合物可以通过作用进行高效的吸附，同时具有独特的二维结构和孔径分布等
特点在处理水中重金属离子的问题上，有很大的潜力，在处理水污染方面石墨烯应该会表
现出优异的吸附性能，达到水体净化的效果。
2.1 石墨烯吸附剂
2.1.1 吸附重金属离子
近年来，重金属对水体的污染比较严重，重金属化学性质稳定，不易被微生物降解，
能通过生物链富集等特点，无法在自然界通过微生物的方式自然降解[21].石墨烯拥有独
特的二维结构和孔径分布，相当大的比表面积，表面的性质还可以通过修饰来进行调整，
在吸附方面具有简单易行、效率高、成本低廉等优点，因此在重金属离子的吸附方面具有
重要的研究价值和应用前景。
Huang 等[22]研究了利用低温真空热处理法制备的石墨烯纳米片对于水溶液中Pb2+的
吸附能力好于普通方法制备的石墨烯，主要是由于该方法合成的石墨烯的 Lewis 碱性得到
明显改善，加强了静电吸引作用，促使Pb2+自动吸附到其表面上。实验结果表明，吸附等
温线数据符合Langmuir 模型，石墨烯对 Pb2+的最大吸附量为 35.46mg/g(最佳的实验条件
下，经 700℃ 理后的石墨热处 烯).Leng 等[23]考察了改良的 Hummers 的方法制备的石墨烯
对锑有毒金属离子的吸附性能，其最高吸附率达到99.5%,展现出良好的吸附性能。
Li 等[24]通过电解四氟硼酸钠水溶液的方法从石墨棒上剥落出大量的石墨烯，在水中
及很多有机溶剂中有很好的分散性。制备的石墨烯对水污染物中的 Pb2+和Cd2+有很好的
吸附效果。实验结果表明，在起始阶段，吸附剂对重金属离子 Pb2+和Cd2+的吸附速度很
快，快速的物理吸附后，吸附逐渐缓慢，40min 基本达到吸附平衡，石墨烯对 Pb2+的最大
吸附量可达到621mg/g(pH 值=5.5)对Cd2+的最大吸附量可达到134.4mg/g(pH 值=6.2),产
生此现象的原因可能是在吸附的初期，石墨烯吸附剂表面存在大量空的活性位点，促进对
重金属离子的吸附，随着吸附实验的进行，所吸附的金属离子产生的排斥力和空间位阻，
剩余的空活性位点已接近饱和状态，在吸附的后期，吸附速率逐渐减慢。研究发现，利用
超声方法能有效的增大石墨烯的分散性，促进了石墨烯对重金属离子的吸附反应的进行。
2.1.2 吸附有机污染物
大分子的有机污染物易与石墨烯表面的基团发生相互作用，形成稳定的复合物，从而
达到去除有机污染物的效果，因而许多科学家基于石墨烯对有机污染物的高效吸附去除作
用，进行了研究。
Liu 等[25]用改良的Hummers 方法制备了石墨烯，并考察了石墨烯对有机染料亚甲基蓝
(MB)的吸附性能。亚甲基蓝是染料的典型代表，整个分子对称分布，中部分为两个苯环与
一个N,S 杂环共轭的大体系，两边的苯环各接一个二甲胺基，正电荷平均分布于整个共轭
体系中，性质稳定。石墨烯拥有很大且平滑的石墨层平面产生作用，很容易吸附含有电子
的有机污染物，通过作用和氢键作用等对亚甲基蓝有很好的吸附效果。实验数据表明，石
墨烯吸附 MB 的过程符合准二级动力学模型、Langmuir 等温线模型，最大吸附量为
153.85mg/g, 力学参数表明吸附 自 、吸 程。热 为 发 热过 Ramesha 等[26]对比了石墨烯和氧化
石墨烯对阳离子染料 MB、MV 及罗丹明 B(RhB)和阴离子染料栀子黄色素从污水中去除的效
果。研究发现由于氧化石墨烯表面有大量负电荷，对阳离子染料有很好的吸附作用，而石
墨烯对阴离子染料表现出良好的吸附性能。
Xu 等[27]研究了酚类化合物(双酚 A),通过氧化还原石墨的方法制备的石墨烯对 BPA 表
现出了优异的吸附性能，其最大吸附量约为 181.8mg/g(29℃，pH 值=6.0).【1】
图1为石墨烯与BPA 间作用和氢键作用的示意图。石墨烯对 BPA 表 出如此 异的吸附现 优
性能主要是由于石墨烯的石墨平面中的苯环和表面残留的含氧基团，会与 BPA 分子 构中结
的两个苯环以及两个羟基基团之间产生作用和表面活性氧基团进行作用。
石墨烯拥有比较特殊的石墨层平面可以产生更强的作用，对含有电子的有机污染物会
表 出更 异的吸附能力。吸附作用不 可以降低水的 争吸附，提高吸附容量， 可以现 优 仅 竞 还
增强对污染物的吸附力。因此在水处理领域，石墨烯必将成为新型高效的吸附剂，对其它
的芳香族污染物产生同样优异的吸附性能。
2.2 石墨烯复合物吸附剂
随着石墨烯的研究与发展，以 sp2 杂化的 C原子形成的单原子层的石墨烯表现出明显
的憎水性，同时，由于范德华力的作用，石墨烯片层容易出现重新堆积形成石墨的现象，
在一定程度上限制了其应用。科学界已经从单一的材料发展到复合材料的研究，新型的石
墨烯复合材料主要是依据材料本身去除污染物的特性，通过与石墨烯类碳材料复合，来增
强材料在吸附、还原及电子传递等方面的能力，石墨烯复合物通过协同作用，更加全面的
解决污水中的重金属离子及有机污染物等问题，以实现对水资源的高效处理，达到净化目
的[28].
2.2.1 吸附重金属离子
石墨烯复合材料吸附重金属离子在相对低的 pH 值时主要靠离子交换，在相对高的 pH
值时可以是静电作用也可以是络合作用或两者兼而有之;吸附过程一般均可用准二级动力
学来描述;吸附等温线符合Langmuir 模式;吸附热力学为自发、吸热的过程。Hao 等[29]制
备了二氧化硅/石墨烯复合材料并进一步考察了不同条件下，吸附剂对 Pb2+离子在水体中
吸附性能。研究表明，二氧化硅/石墨烯复合材料对 Pb2+离子有很 的吸附效果，最大吸强
附量达到113.6mg/g,吸附能力远高于单独的石墨烯和纯二氧化硅对Pb2+离子的吸附，主
要归功于，在高 pH 值环境下，复合物表面带负电荷与带正电荷的Pb2+离子 生静 作产 电
用，同时复合物拥有特殊的比表面积(252.5m2/g)提供更多的活性位点，促进吸附的进
行。
铁和氧化铁纳米结构能高效地吸附重金属离子，但其容易被氧化，循环使用比较
差，GaneshGollavelli 等[30],在微波辐照下氧化石墨烯和茂铁前体快速反应生成磁性石
墨烯复合物(SMG).SMG 拥有超磁性的性质有助于增加吸附位点，对水中的 Cr4+、As5+和
Pb2+重金属离子的吸附率达到99%,同时利用SMG 自身的磁性可以从水体中高效的分
离。SMG 还具有消毒杀菌的作用，对大肠杆菌消除的效率达到100%,有效地对自来水进行
净化。SMG 复合物的合成原理及应用如图 2所示。【2】
摘要：
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纳米级的碳材料本身就可以担当一种有效的催化剂，在吸附方面有很好的应用潜力，下面是小编搜集整理的一篇探究石墨烯在吸附中的应用发展的论文范文，供大家阅读查看。1、引言随着世界人口的快速增长和工业化的迅猛发展，环境污染问题引起了人们的广泛关注，特别是水体中有害物质的去除问题至关重要。目前，国际上常用的污水处理方法有膜分离法[1]、微生物理法处[2]、光催化降解法[3]、吸附法[4]及其它方法。这些方法在治理和保护水体环境中起到了重要的作用。其中，吸附法和光催化降解法，由于本身具有低能耗、高效率、方便大规模应用和应用对象广泛等特点[5-6],得到了科学界的广泛关注和研究。吸附法在污水治理方面具有设备简...
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作者：Jazy
分类：免费论文
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时间：2024-08-10
