石墨烯在吸附中的应用及发展

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1、石墨烯在吸附中的应用及发展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]、微生物处理法[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],

2、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，在工业上最常用的活性炭吸附剂,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

3、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2004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，科学界便对石墨烯材料进行了广泛的研究与讨论。石墨烯具有理想的平面二维结构、良好的电子性质、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

4、[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π-π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];这种稳定的晶格结构使其具有优异的导电性，石墨烯的高电子迁移率[16](104S/cm)与导热性[1

5、7](5000B)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π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π-π作用，很容易吸附含有π电子的有机污染物，通过π-π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,热力学参数表明吸附为自发、吸热过程。Ramesha等[26]对比了石墨烯和氧化石墨烯对阳离子

6、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π-π作用和氢键作用的示意图。石墨烯对BPA表现出如此优异的吸附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分子结构中的两个苯环以及两个羟基基

7、团之间产生π-π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π-π作用，对含有π电子的有机污染物会表现出更优异的吸附能力。π-π吸附作用不仅可以降低水的竞争吸附，提高吸附容量，还可以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