作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱(chēng)為“黑金”、“新材料之王”?？茖W(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。環(huán)保科研人員也興趣盎然，在這種單原子薄膜上“精工細(xì)作”，他們相信，石墨烯在潔水去污、凈化環(huán)境等方面，蘊(yùn)含著巨大的潛力。

石墨烯（Graphene）

是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六邊形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。想象一下，每一個(gè)碳原子，與周?chē)齻€(gè)鄰居以共價(jià)鍵連接，一層碳原子就這樣構(gòu)成了一個(gè)由無(wú)數(shù)個(gè)六邊形組成的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此時(shí)，小編建議您回想一下足球球門(mén)六邊形球網(wǎng)的樣子。

海姆與諾沃肖洛夫贈(zèng)送給瑞典諾貝爾博物館的石墨、石墨烯電晶體與“簽名款”膠帶

石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)室從石墨中分離出石墨烯，從而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同分享了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

說(shuō)到這一分離過(guò)程，小編不得不驚嘆：某些偉大的創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)，是極富靈動(dòng)的頭腦 + 奇妙想象和實(shí)踐的過(guò)程。海姆和團(tuán)隊(duì)成員偶然地發(fā)現(xiàn)，將石墨片放置在塑料膠帶中，折疊膠帶粘住石墨薄片的兩側(cè)，撕開(kāi)膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復(fù)這一過(guò)程，就可以得到越來(lái)越薄的石墨薄片，其中由一層碳原子構(gòu)成就是石墨烯，因此被媒體稱(chēng)為“膠帶撕出的諾貝爾獎(jiǎng)”。

“能屈能伸”的石墨烯

石墨烯由單層原子構(gòu)成的。碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格。這種結(jié)構(gòu)，就使得石墨烯彎曲靈活，變幻無(wú)窮。鉛筆里用的石墨就相當(dāng)于一層一層的石墨烯疊在一起，而富勒烯（足球烯、C60）可以看成是石墨烯按一定方式被團(tuán)成了一個(gè)球，碳納米管則是石墨烯卷成了筒狀。這就好比被搟好的面皮兒，可以做成千層餅、麻團(tuán)兒和卷餅。

石墨烯類(lèi)碳材料與水處理

1.氧化石墨烯薄膜——海水淡化不再是天方夜譚

氧化石墨烯

海水淡化

石墨烯以獨(dú)特的力學(xué)和電學(xué)特性被稱(chēng)為“神奇材料”，它與水的相互作用有趣，卻也是令人困惑的：石墨烯表面排斥水分子，但當(dāng)石墨烯薄膜浸入到水中時(shí)，毛細(xì)通道卻允許水分子快速滲透。石墨烯與水之間的這種“若即若離”的關(guān)系令科學(xué)家著迷。近年來(lái)，科學(xué)家一直探索著將石墨烯家族作為新型材料在水處理中加以應(yīng)用。一種石墨烯衍生物——氧化石墨烯（graphene oxide，GO）薄膜作為可用于過(guò)濾工藝的替代品，受到了大量的關(guān)注。氧化石墨烯的這一性質(zhì)，能夠?yàn)樗幚眍I(lǐng)域的研究提供新的更廣闊的思路。

聯(lián)合國(guó)2016年3月21日公布的數(shù)據(jù)顯示，到2025年，全球?qū)⒓s有18億人口面臨絕對(duì)缺水的問(wèn)題，約三分之二的人口可能要在用水緊張的條件下生活。嚴(yán)格地講，我們的藍(lán)色星球并不缺“水”——地表超過(guò)七成面積被海洋覆蓋。人們守著這個(gè)巨大“水資源寶庫(kù)”，卻無(wú)力掘出寶藏。現(xiàn)在，研究人員實(shí)現(xiàn)了利用氧化石墨烯薄膜篩選食鹽這一吃香的技術(shù)，用于海水淡化。

在此之前，氧化石墨烯薄膜早已被證實(shí)可被用于過(guò)濾小型納米粒子、有機(jī)分子以及大顆粒鹽。然而對(duì)于尺寸更小的海水中的鹽，則束手無(wú)策。因?yàn)槁然c在水中溶解后，其離子會(huì)被水分子簇?fù)恚車(chē)纬梢粚印八ぁ?，即水合層。?wèn)題是，氧化石墨烯長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中后會(huì)變形擴(kuò)張，“篩孔”變大，小顆粒鹽分會(huì)隨水分子一同流過(guò)薄膜，因此很難進(jìn)行有效的分離。想要用于鹽的篩選，就需要更細(xì)密的“篩子”。

人類(lèi)的需求，是科學(xué)探索的動(dòng)力。研究人員對(duì)這些石墨烯薄膜進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)了一種避免薄膜在水中膨脹的方法——利用環(huán)氧樹(shù)脂在氧化石墨烯側(cè)面“筑墻加固”，不僅有效地阻止了變形，還可以可精確控制薄膜的孔隙大小，阻擋鹽分隨水流過(guò)，水分子能通過(guò)這層屏障，據(jù)此過(guò)濾海水中鹽分，將鹽水變?yōu)榈擕}應(yīng)用十分理想。

小編要暢想一下，未來(lái)家里洗衣做飯的自來(lái)水，主要來(lái)自海水。海水淡化的過(guò)程，簡(jiǎn)單到只需在水龍頭上安裝一個(gè)凈水設(shè)備，其內(nèi)部裝有更強(qiáng)大的功能化石墨烯類(lèi)碳材料薄膜。

2.石墨烯類(lèi)碳材料及其復(fù)合物——水處理中的優(yōu)質(zhì)吸附劑

在水處理中，石墨烯類(lèi)碳材料除了利用其過(guò)濾的作用外，還有一個(gè)重要的作用，就是吸附。作為水處理吸附劑，可吸附三類(lèi)污染物: 有機(jī)物，金屬離子與無(wú)機(jī)陰離子。

石墨烯巨大的比表面積使它成為優(yōu)質(zhì)吸附劑。常見(jiàn)的石墨烯類(lèi)碳材料除包括石墨烯和上述的氧化石墨烯外，還有還原氧化石墨烯。后兩者的制備，常用石墨經(jīng)氧化還原反應(yīng)制得。

氧化石墨烯擁有大量的羥基、羧基、環(huán)氧基等含氧基團(tuán)，是一種親水性物質(zhì)，與許多溶劑有著較好的相容性，通過(guò)靜電作用、氫鍵或π-π鍵與污染物結(jié)合，進(jìn)而去除染料廢水中有機(jī)污染物。例如，在去除亞甲基藍(lán)（MB）過(guò)程中，主要是通過(guò)靜電作用和π-π鍵起作用。其中靜電作用是因?yàn)閬喖谆{(lán)表面帶正電，GO 表面帶負(fù)電。

氧化石墨烯去除金屬離子是由于氧化石墨烯表面的環(huán)氧基、羧基、羥基等含氧基團(tuán)能與金屬離子，尤其是多價(jià)的金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。

殼聚糖被認(rèn)為是去除廢水中重金屬污染物最有前景的吸附劑之一，但其機(jī)械強(qiáng)度和物理穩(wěn)定性欠佳，人們研究了增強(qiáng)殼聚糖的性能及吸附能力的方法。氧化石墨烯與殼聚糖等吸附劑結(jié)合，形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有巨大的比表面積，可增強(qiáng)吸附性能，是新型石墨烯材料的研究方向。

例如：氧化石墨烯與殼聚糖、Fe3O4等磁性材料等結(jié)合形成復(fù)合材料，可增強(qiáng)材料的表面性能，進(jìn)而提高吸附性能，備受關(guān)注。Fe3O4-殼聚糖-GO 復(fù)合物用于去除亞甲基藍(lán)，該類(lèi)復(fù)合材料環(huán)境友好、可降解、吸附迅速和易分離等特性是其優(yōu)勢(shì)所在。

剛才提到的還原氧化石墨烯( RGO)，對(duì)于陰離子染料的去除率高達(dá)95%。這是因?yàn)?，還原后的氧化石墨烯將GO表面的羰基還原成了羥基，提高了其表面電勢(shì)，C—OH和C—H鍵增多，去除特定結(jié)構(gòu)染料分子的作用力主要通過(guò)氫鍵作用，對(duì)于某些陰離子的吸附能力反而更強(qiáng)。

3.石墨烯類(lèi)碳材料+光催化材料=水處理中的光反應(yīng)催化劑

石墨烯的復(fù)合材料可作為光催化劑對(duì)污染物進(jìn)行光降解。這是由于石墨烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)使之具有較高的電子傳輸性能，在光電轉(zhuǎn)化和光催化應(yīng)用中，將石墨烯類(lèi)碳材料與光催化材料結(jié)合，在水處理中可以發(fā)揮兩種材料的協(xié)同效應(yīng)。石墨烯類(lèi)碳材料在復(fù)合材料中作為吸附劑、電子受體，有效增強(qiáng)了常見(jiàn)光催化材料對(duì)有機(jī)染料和重金屬污染物的光降解效果。

TiO2 穩(wěn)定、無(wú)污染，是最佳的光催化材料之一。 但由于光激發(fā) TiO2 產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)極易復(fù)合，而石墨烯獨(dú)特的電子傳輸特性可以降低光生載流子的復(fù)合，提高 TiO2 光催化效率。例如TiO2 /GO復(fù)合物，用以處理亞甲基藍(lán)。在紫外光和可見(jiàn)光下，吸附能力和光催化能力均有所提高。其原因是方面的協(xié)同作用，包括復(fù)合物比表面積的增大，染料分子和芳香環(huán)之間的 π-π 鍵作用以及亞甲基藍(lán)與石墨烯材料表面的含氧基團(tuán)的作用。在光學(xué)特性方面，氧化石墨烯的加入使得Ti—O—C鍵形成，降低了TiO2的能帶間隙，也增強(qiáng)了對(duì)有機(jī)染料的光降解效果。

小編幫您總結(jié)

石墨烯類(lèi)碳材料及其復(fù)合物在水處理領(lǐng)域應(yīng)用、主要通過(guò)改進(jìn)后石墨烯類(lèi)碳材料本身的過(guò)濾作用，以及與其他功能性化合物復(fù)合，來(lái)增強(qiáng)材料在吸附、靜電作用、磁性、電子傳遞及還原等方面的能力，進(jìn)而去除水中的污染物?？傊?，石墨烯碳材料及其復(fù)合材料在水處理中易于分離、環(huán)境友好的性能具有廣泛的應(yīng)用前景，但大量、廣泛地應(yīng)用到水處理工程中仍需時(shí)日。

拓展思維：

石墨烯有望成為除霾神器

目前，一些防霧霾口罩大多靠靜電原理吸附PM2.5。但當(dāng)口鼻中呼出霧氣較大時(shí)，靜電作用就會(huì)減弱甚至消失，從而了防御PM2.5的效果降低。

此時(shí)，石墨烯超高的比表面積和較好的化學(xué)穩(wěn)定性就派上用場(chǎng)了。傳統(tǒng)的過(guò)濾材料目前難以制備出超小的孔徑。與本文中氧化石墨烯復(fù)合材料類(lèi)似，氧化石墨烯與傳統(tǒng)濾材結(jié)合，就可獲得高效除霾的氧化石墨烯基過(guò)濾材料。該濾材對(duì)PM2.5的去除純屬物理阻隔，因此不受水汽影響，具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

為了避免有缺陷的石墨烯骨架很薄而存在大量孔洞，組裝成多孔濾膜就可解決這一問(wèn)題，內(nèi)部孔道交錯(cuò)縱橫，即使孔徑大于2.5微米時(shí)，依然能有效地截留PM2.5，而且呼吸阻力小，保證呼吸順暢。

有缺陷的石墨烯盡管不完美，而科研人員卻挖掘出它內(nèi)在的潛質(zhì)，使其華麗轉(zhuǎn)身，在環(huán)保除污、保障人類(lèi)健康方面大顯身手。