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石墨烯及其复合材料特性、制备方法及在水处理中的应用

时间:2017-9-25 12:09:00   来源:石墨邦   添加人:admin

  在2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫,他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,将石墨薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,将石墨片一分为二,不断地这样操作,薄片越来越薄,最后他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

  石墨烯是目前最结实的材料之一,具有很好的导热性及极高的电子迁移率,它能够作为电极材料、传感器、储氢材料。

  石墨烯及其复合材料的特性和制备方法

  随着科学技术的不断发展,石墨烯在制备方面已经取得了巨大进步,其制备过程一般是:石墨-氧化石墨-氧化石墨烯-石墨烯。由于石墨烯的结构十分稳定、导热系数也极高、同时还是目前自然界中强度最大的物质,因此它具有较良好的导电性、导热性和机械特性。

  目前,石墨烯的制备方法常见的有化学气相沉积法、晶体外延生长法、胶体悬浮液法以及微机械剥离法等。应用于水处理中的石墨烯一般采用化学方法来进行制备,又由于要考虑制备成本及规模,通常使用的是氧化还原法。氧化石墨烯正常情况下是由石墨经过化学氧化和超声制备而得,由于石墨的来源广泛,较为廉价,氧化石墨烯利于大规模化的生产,并且氧化石墨烯具有羟基、羧基和环氧基等含氧基团,具有亲水性,能够相溶于多种容积,很适合应用于水处理工程中。

  目前常见的石墨氧化法的基本原理是用强酸对石墨进行处理,使之形成石墨层间化合物,再把强氧化剂加入其中对其进行氧化,最为常见的就是Hummers法,它能有效减少制备的时间,提高安全性。

  在水处理工程的应用中,石墨烯自身的憎水性及易聚集性约束了它的应用范围,因此研究具有较强的亲水性和生物相容性的复合材料,是目前石墨烯材料的具体研究方向。在制备石磨洗复合材料时,首先要知道石墨烯的表面是稳定惰性的,很难与溶剂相溶,也不能和其他无机材料进行复合,因此首先要把氧化石墨烯和纳米材料进行复合,再对复合后的材料进行还原,即可获得石墨烯复合材料。

  石墨烯及其复合材料在水处理中的应用

  石墨烯及其复合材料主要作为水处理工程中的吸附剂。石墨烯不止拥有良好的储氢能力,还能用于气体分子传感器,它主要吸附无极阴离子和有机物这两种污染物。大分子的有机污染物能够和石墨烯表面的基团相互作用,生成稳定的复合物,石墨烯对于这种污染物的吸附能力较强,因此较多学着对石墨烯吸附去除有机染料进行了研究。

  相较于其他纳米材料,石墨烯的吸附能力更强,甲级蓝由于具有大分子和苯环,石墨烯的吸附速度更快,吸附容量更大。另外,当进行过五次吸附-脱附循环后,石墨烯对甲基蓝的吸附效果依然保持不变。其中要注意,由于有机染料和石墨烯间电子传递的速度和作用机理不同,表面带正电荷的有机物和石墨烯之间的电子传递速度更快。

  石墨烯的功能化不仅可以对石墨烯的边缘或缺点进行化学修饰,连入新的官能团或分子链,还可以在分子间的相互作用力或离子键作用的基础上,引入修饰分子或离子,加强石墨烯在溶剂中稳定分散的能力。功能化石墨烯对无机污染物的研究扩大了它在水处理工程中的应用范围。

  氧化石墨烯和壳聚糖形成的复合材料对金属污染物的吸附能力更强,经过试验表明,氧化石墨烯/壳聚糖对于金元素和钯元素这两种金属离子的吸附是在自发和放热的过程中进行的,并且适用的pH值范围较大,脱附的过程也比较高效。

  氧化石墨烯和磁性材料生成的复合材料能够加强材料的表面性能,具有更强的吸附性,这种复合材料的吸附能力主要由pH值和离子强度决定。并且这种复合材料性质较为稳定,容易再生,在反复利用多次之后,吸附能力也能恢复到原始饱和吸附容量的90%左右。氧化石墨烯和磁性材料生成的复合材料最明显的优势是对环境污染性极小,可降解,吸附速度较快且易分离。

  还原氧化石墨烯在水处理工程中的应用也较为广泛。还原氧化石墨烯一般可以用化学法、热剥离法、紫外光辐射法及微波法等方法把氧化石墨烯表面的某些基团还原就可以获得。因为膨化的氧化石墨烯表面含有羟基、羧基和环氧基等含氧基团且带有负电荷,对于吸附阳离子性的染料具有很好的效果,但是对于吸附阴离子性的染料的效果不太好。

  研究人员经过之言发现静电作用在吸附去除有机染料的过程中起着极为重要的作用,其中要特别注意的是,采用不同的还原方法制备的还原氧化石墨烯会有不一样的表面电势,这将会影响它们在水处理工程中的应用。

  此外,由于石墨烯具有较为优秀的电子传输性,在光电转化和光催化工程中把石墨烯类碳材料与光催化材料进行结合之后,应用于水处理工程中,这样就能有效发挥两种材料的协同效应。与在水中和极性溶剂中较难分散的石墨烯相比,氧化石墨烯由于其表面含有较多的含氧基团,有很好的亲水性,能通过功能基团与其他聚合物稳固结合形成复合物,能够稳定的分散在水溶液中,制备过程简单,利于大规模生产。

  氧化石墨烯不止能够和乙烯醇聚合物及聚氧化乙烯等水溶性聚合物复合,还能同姑婆水溶性乳胶法获得新复合材料。氧化石墨烯表面的环氧基、羟基、羧基等含氧基团可与金属离子,特别是多价金属离子进行络合反应,并且氧化石墨烯还能够与有机污染物相互作用,所以氧化石墨烯还可以除去水中的金属和有机污染物。另外与碳纳米管相比较,氧化石墨烯的制备成本更低,制备过程也更简单。具体的二氧化硅/石墨烯复合材料合成路线图如图2所示,为此类研究作参考。

  二氧化钛与氧化石墨烯生成的复合材料除了可以加大吸附能力、加强电子传输能力之外还能提高二氧化钛的光催化性,经研究表明,二氧化钛和氧化石墨烯的复合方法很多,复合形成的新复合材料的去污能力更强。

  结束语

  就目前的这些研究而言,石墨烯及其复合材料在水处理中的应用的关键突破在于材料和环境治理的交叉研究。研究新型的石墨烯复合材料主要是按照材料自身的去污的特性,和石墨烯类碳材料复合,加强材料在吸附、电子传递及还原等方面的能力。

  另外,石墨烯及其复合材料的稳定性不高,制备大量而稳定的石墨烯复合材料也是石墨烯应用于水处理的主要问题。为了使石墨烯及其复合材料广泛地应用于水处理工程中,仍然需要科研人员的不断探索与实践。