石墨烯復(fù)合納米材料在環(huán)境水體修復(fù)中的研究與應(yīng)用①

1、石墨烯復(fù)合納米材料在環(huán)境水體修復(fù)中的研究與應(yīng)用    摘 要:石墨烯作為sp2碳原子組成的一種新型二維納米材料,具有獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì),已經(jīng)成為了材料學(xué)、分析化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、能量?jī)?chǔ)存等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),并且在環(huán)境污染物的分析檢測(cè)及修復(fù)等方面具有很大的潛力,已經(jīng)得到了許多振奮人心的研究成果。本文在闡述石墨烯結(jié)構(gòu)、特性及其功能化的基礎(chǔ)上,對(duì)石墨烯納米材料在環(huán)境水體修復(fù)方面的研究進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述,同時(shí)展望了其在環(huán)境水體修復(fù)中的發(fā)展前景及方向。關(guān)鍵詞:石墨烯 復(fù)合納米材料 環(huán)境分析 水體修復(fù) 研究與應(yīng)用中圖分類(lèi)號(hào):TQ02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-37

2、91(2011)11(b)-0036-011 石墨烯的結(jié)構(gòu)與性能石墨烯是由一層密集的、包裹在蜂巢晶體點(diǎn)陣上的碳原子排列成的二維結(jié)構(gòu),是目前已知最理想的和最薄的新型二維納米材料,厚度約為0.35nm,是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料如:零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨的基本單元1。石墨烯的這種特殊結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含了豐富而奇特的物理現(xiàn)象,使其表現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)性能、電學(xué)性能、導(dǎo)熱性能、光學(xué)性能(圖1)。2 石墨烯復(fù)合納米材料在環(huán)境水體修復(fù)的研究與應(yīng)用在環(huán)境水體修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用較多的石墨烯衍生物主要是功能化的氧化石墨烯(或稱(chēng)石墨烯氧化物)。氧化石墨烯通常是由石墨經(jīng)化學(xué)氧化、超聲制備獲得。氧化石墨烯含有大量的含氧活性基團(tuán),因

3、而具有良好的生物相容性和水溶液穩(wěn)定性,同時(shí)有利于化學(xué)功能化修飾2。2.1 石墨烯復(fù)合納米材料光催化降解水體污染物石墨烯除擁有表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性好、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)外,還具有更為優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)和規(guī)整的平面二維結(jié)構(gòu),這使得其可以成為比碳納米管性能更為優(yōu)異的載體材料和電子或空穴傳遞的多功能材料。在光電轉(zhuǎn)化和光催化過(guò)程中,將石墨烯與半導(dǎo)體光催化劑相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)兩種材料相互協(xié)同的完美效果。石墨烯不僅能增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)水體污染物的吸附性能,而且將復(fù)合材料的光譜響應(yīng)范圍拓展至可見(jiàn)光區(qū)。同時(shí),石墨烯可以作為有效的電子受體促進(jìn)半導(dǎo)體光生電子-空穴分離,從而增強(qiáng)了復(fù)合材料的光催化活性。通過(guò)石墨烯結(jié)構(gòu)的調(diào)控,可以實(shí)

4、現(xiàn)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控,從而可以用來(lái)制備具有多功能性質(zhì)的復(fù)合材料,實(shí)現(xiàn)對(duì)水體污染物的高效降解3。2.2 石墨烯復(fù)合納米材料有效抑制細(xì)菌生長(zhǎng)研制和利用抗菌材料來(lái)抑制和殺滅有害細(xì)菌是提高人類(lèi)健康水平的重要方面。傳統(tǒng)的抗菌材料易導(dǎo)致微生物的抗藥性,還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。納米技術(shù)的發(fā)展,為有效除菌提供了新的思路。石墨烯作為碳材料的代表之一,本身對(duì)生物體的毒性低,具有高度生物兼容性,同時(shí)又是新型優(yōu)良的抗菌材料。Hu等探索了氧化石墨烯的抗菌特性,發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯納米懸液在與大腸桿菌孵育2h后,對(duì)其抑制率超過(guò)90%,進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氧化石墨烯的抗菌性源于其對(duì)大腸桿菌細(xì)胞膜的破壞。將TiO2與石墨烯復(fù)合制備

5、成TiO2-石墨烯復(fù)合膜,并將其用于光催化大腸桿菌的研究,結(jié)果表明,復(fù)合薄膜的光催化殺菌活性顯著增強(qiáng)。石墨烯復(fù)合納米材料具有良好的穩(wěn)定性、重復(fù)性、再生性,而且由于石墨烯的制備簡(jiǎn)便、成本低廉,這種新型的碳納米材料在環(huán)境污染控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景4。3 展望目前,隨著基于石墨烯的研究持續(xù)升溫,石墨烯已展示出重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值,且在環(huán)境水體修復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但目前大多只是處在理論和實(shí)驗(yàn)研究方面,缺乏大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。未來(lái)發(fā)展成本相對(duì)低廉、層數(shù)可控的大規(guī)模石墨烯制備技術(shù)和進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)石墨烯及其衍生物表面功能化的研究將有助于推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。參考文獻(xiàn)1 Novoselov K S,G

6、eim A K,Mo rozov S V,et al.ScienceJ.2004,306(5696):666669.2 Stankovich S,Piner R D,Nguyen S T,et al.CarbonJ.2006,44(15):33423347.3 Williams G,Seger B,Kamat P V. ACS NanoJ.2008,2(7):14871491.4 Hu W B,Peng C,Luo W J,et al. ACS NanoJ.2010,4(7):43174323.    相關(guān)論文    · 一維氧化物納米材料的合成及應(yīng)用· 納米材料有毒嗎· 納米材料化學(xué)雙語(yǔ)教學(xué)的初步實(shí)踐與探討·