三维石墨烯材料的制备及在水处理中的应用研究进展

随着经济的快速发展,越来越多的污染物质进入水体,污染环境,危害人体健康,污染废水亟待净化处理。在众多污水处理方法中,吸附法因经济、高效而被广泛使用。相较于传统吸附剂,石墨烯材料作为一种新型碳材料,具有比表面积大、化学稳定性好、含氧官能团丰富、可修饰性强等优点,对水体中的污染物具有较强的吸附能力。但二维石墨烯材料因片薄、粒径细小,在吸附污染物后较难实现固液分离,从而产生二次污染。将二维石墨烯组装成三维多孔网状聚集体,不仅能有效阻止石墨烯结构层的堆积,促进污染物的扩散吸附,还有利于吸附污染物后的固液分离。因此,在水污染处理领域,三维石墨烯吸附材料逐渐成为研究的焦点。三维石墨烯材料是以(氧化)石墨烯为主体交联形成的多孔网状宏观体新材料,继承了本征石墨烯良好的理化性能。其多孔网状纳米结构赋予自身较高的孔隙率和较快的溶质传输速度等特性,使其在水污染处理中具有良好应用前景。利用不同的化学物质,采取不同的制备方法对石墨烯材料进行接枝改性、掺杂复合等,可促进石墨烯三维宏观结构和微观孔隙结构的形成。综合国内外研究成果发现,三维石墨烯主要通过静电相互作用、π-π堆叠作用、疏水作用、氢键作用和络合作用等与污染物质结合,实现污染物的去除。对于阳离子污染物质,增加三维石墨烯材料表面的活性基团及吸附位点,可有效提高其对阳离子物质的吸附容量,优化其耐酸碱性,并提高吸附质的脱附率。而疏水亲油的三维石墨烯材料是去除油类污染物质的理想吸附材料,提高其孔隙率、比表面积和机械强度可大幅提高吸附材料的吸附性能,增强其弹性强度及热稳定性可显著提高其循坏再生性能。基于水环境污染治理的迫切需求以及三维石墨烯材料优异的吸附性能,本文从水污染治理角度出发,系统总结了水热自组装法、溶剂热自组装法、化学气相沉积法、有机高分子模板法和冰模板法等制备三维石墨烯材料的机理,综述了三维石墨烯材料在含染料、油污等有机污染物以及重金属离子废水中的吸附应用,并对其研究前景和发展趋势进行了展望。     

稻壳基材料应用于水污染治理领域的研究进展

随着工业的快速发展,电镀设备、采矿、纺织等行业排放的废水含有大量的重金属离子和有机污染物,这些污染物严重危害人类的身体健康.因此,如何快速有效地处理水体中的重金属离子和有机污染物是环境修复领域中亟待解决的问题.稻壳因具有来源广泛、可再生、环境友好等特点而被广泛应用于吸附材料和光催化材料领域.大量研究表明,稻壳能够去除污染水体中重金属离子和有机物的种类很多,但是对大多数污染物的去除能力不强,难以在实际应用中得到进一步推广.以稻壳为基体材料制备有高效去除能力的功能性材料,是近几年环境修复领域的研究热点.目前,研究者尝试以炭化、化学修饰等方式对稻壳改性,从而增大比表面积、孔隙率或者增加含氧官能团的数量,吸附性能也能随之改善,但是以上改性后的稻壳材料存在吸附能力弱和容易产生二次污染等问题.研究发现,负载Fe3 O4制备的磁性稻壳生物炭复合材料,不仅吸附性能强,且具有易分离、稳定性强、不会对环境造成二次污染等优点,这为稻壳基材料在实际应用的推广奠定了基础.另外,有研究报道,将稻壳中的SiO2作为半导体光催化剂(如TiO2、Ni2 O3)的载体可提高其光催化性能、回收利用率,使其在光学领域具有良好的使用性能.本文综述了稻壳材料本身的特性和改性稻壳制备稻壳基吸附剂的方法,讨论了稻壳基及其复合材料在水污染治理领域中作为吸附剂和光催化剂的应用.从不同类型的污染物角度出发,论述了稻壳基材料针对重金属离子、有机污染物处理过程中稻壳掺杂材料功能及体系作用机理的影响,还分析了影响污染物吸附的重要因素,最后对目前稻壳基材料在水治理领域应用进行了总结和对今后的研究方向做了展望.     

石墨烯-有机物复合光催化材料及其应用

光催化技术以其绿色安全的特点在能源和环境领域显示出巨大的应用潜力。近年来,有机物光催化剂以其可见光响应及成本较低等优势逐渐进入人们的视野,但也存在一些不足,而石墨烯材料的大比表面积、高载流子迁移率等性质,在催化剂构建领域具有天然优势。本文针对石墨烯-有机物半导体光催化材料,在总结石墨烯在材料中的基本作用的基础上,介绍了石墨烯/共轭聚合物、石墨烯/金属有机骨架、石墨烯/染料3种典型的石墨烯-有机物光催化材料及多种合成方法。进一步阐述了此类材料在能源和环境领域,包括光解水析氢、CO₂还原、有机物降解、重金属离子还原及细菌灭活等领域的应用。最后对石墨烯-有机物复合光催化材料的未来发展提出了建议。     

基于天然贻贝仿生制备聚多巴胺改性石墨烯基功能材料及其水体环境修复应用研究进展

全球水污染问题日益严峻,而石墨烯具有大比表面积且除污性能优异,可作为水体环境修复的优良材料,但它的表面能高,极易发生团聚,这将会大大降低其比表面积和其他优异的物理化学性质。为此,受天然贻贝及其分泌的粘性蛋白结构所启发,将仿生聚多巴胺(Pdop)用于改性石墨烯可有效解决石墨烯聚集的问题,并能赋予石墨烯新的表面性质和功能,如从疏水表面变成亲水表面、增加活性位点密度以及丰富其可设计性,这也使得Pdop改性石墨烯(Pdop-G)成为当前的一大研究热点,尤其在环境修复领域。本文回顾了近三年Pdop-G及其相关材料的多种设计、制备方法,并重点关注了Pdop-G在环境修复应用方面的研究进展,包括三种核心环境修复处理手段(即吸附、膜截留和光催化)。通过总结相关文献可知,Pdop-G及其相关材料在处理各类水体环境污染物方面具有良好的应用潜力,但是要达到商业应用的要求,还有待进一步改善制备工艺,完善后处理等问题。本文充分评述和分析了基于石墨烯化学和贻贝仿生学的各种环境修复材料和技术的优缺点,并提出了未来可尝试的研究方向,以明晰这些材料在环境修复中的应用范围和技术发展路线。本文有望给广大学者在Pdop-G及其相关材料研究方面提供指引,并为新型高性能石墨烯基环境修复材料的设计带来新思路和方向。     

石墨烯基半导体复合光电极研究进展

作为一种新型二维纳米材料,石墨烯因具有优异的电荷传输能力、大的比表面积、高可见光透过率、柔韧的结构以及化学稳定性等特点而被广泛关注。将石墨烯与半导体材料复合已成为新型光电催化电极材料的研究热点之一。综述了石墨烯基光电极的制备以及新型石墨烯基光电复合材料在有机污染物的降解、分解水制氢、还原CO₂等领域的应用。最后,对石墨烯基半导体材料在光电催化领域存在的问题及其未来发展进行了展望。     

石墨烯/氧化石墨烯及其复合材料在污水处理中的应用研究进展

石墨烯(GN)材料作为一种新型的碳质吸附材料,具有耐高温、比表面积高以及良好的化学稳定性等特点,在污水处理方面具有很好的应用前景。综述了GN、形成GN的中间材料氧化石墨烯(GO)以及它们的复合材料在污水处理方面的研究进展。着重介绍了GN和GO的制备方法,分析讨论了GN和GO表面官能团与污水中重金属离子、染料和有机分子等污染物的相互作用机理及影响因素,并指出了GN和GO在环境修复方面的研究现状、存在的问题及发展方向,为未来GN和GO在污染物处理方面的应用提供了一些思路。     

石墨烯光催化材料及其在环境净化领域的研究进展EI北大核心CSCD

石墨烯作为一种导电率高、比表面积大、化学稳定性强的新型二维碳材料,在光催化技术领域显示出广阔的应用前景。本文综述石墨烯及其复合材料在光催化领域中的研究进展。首先介绍光催化基本原理与石墨烯的优异性能,总结石墨烯在复合光催化材料中的基本作用,即促进光生电子的传输、扩大光吸收强度和范围、提升吸附作用等。然后介绍各种石墨烯光催化复合材料(石墨烯/无机半导体、石墨烯/有机半导体、石墨烯/金属纳米粒子)及其多种合成方法。同时进一步阐述石墨烯光催化材料在环境净化领域中的应用,重点介绍在空气净化、水中微量污染物净化及废水处理方面的应用。最后指出目前的石墨烯光催化材料仍然存在催化效率低、成本高、不能实现大规模生产等问题,而对其结构及制备工艺等进行优化有望改善材料性能,提高其实际应用价值。     

石墨烯光催化材料及其在环境净化领域的研究进展

石墨烯作为一种导电率高、比表面积大、化学稳定性强的新型二维碳材料,在光催化技术领域显示出广阔的应用前景。本文综述石墨烯及其复合材料在光催化领域中的研究进展。首先介绍光催化基本原理与石墨烯的优异性能,总结石墨烯在复合光催化材料中的基本作用,即促进光生电子的传输、扩大光吸收强度和范围、提升吸附作用等。然后介绍各种石墨烯光催化复合材料(石墨烯/无机半导体、石墨烯/有机半导体、石墨烯/金属纳米粒子)及其多种合成方法。同时进一步阐述石墨烯光催化材料在环境净化领域中的应用,重点介绍在空气净化、水中微量污染物净化及废水处理方面的应用。最后指出目前的石墨烯光催化材料仍然存在催化效率低、成本高、不能实现大规模生产等问题,而对其结构及制备工艺等进行优化有望改善材料性能,提高其实际应用价值。     

聚焦石墨烯宏观体的制备技术和应用前景:一维、二维、三维组装结构

独特的二维结构和优异的理化性能使得石墨烯迅速成为物理、化学以及材料等领域的研究热点。近年来,由二维结构的石墨烯组装形成的石墨烯宏观体材料,因具有本征石墨烯固有的理化性能又具有较大实际比表面积、连通的纳米通道以及良好的力学性能,使其在光学器件、电子器件以及环境治理等领域备受关注。结合当前研究热点,主要概述了石墨烯宏观体的制备及其在超级电容器、光电器件以及环境修复与治理等领域中的应用,简要地评述了石墨烯宏观体材料在制备及应用中面临的挑战,初步指出了未来石墨烯宏观体的发展趋势。     

纳米TiO_2在水污染治理与检测中应用的研究进展

二氧化钛作为一种无机半导体材料,因其无毒性、催化活性高、稳定性好以及抗光腐蚀能力强等优点近年来已成为材料研究领域的明星材料,并且纳米TiO2光催化应用技术工艺简单、成本低廉。介绍了纳米TiO2光催化的机理,综述了纳米TiO2在水污染治理与检测中应用的研究进展。重点讨论了近年来对纳米TiO改性方面的研究,包括沉积贵金属、金属离子掺杂、非金属离2子掺杂和窄禁带半导体复合修饰等改性方法:指出了纳米TiO2在水污染治理与检测应用中的不足之处以及可能的改进方法,并对纳米TiO2在水污染治理与检测应用中的发展趋势进行了展望。     

氧化石墨烯基复合材料对重金属吸附性能研究

近年来,重金属水污染问题突出,给环境和人类健康带来了严重的危害.常规的处理方法可以达到比较好的处理效果,但也会带来一些二次污染等其他问题.因此本文基于氧化石墨烯吸附剂,对其进行改良制得氧化石墨烯-MoS2气凝胶(简称为GMAs),并进行了表征分析和对重金属离子吸附试验,所制得的GMAs对汞离子、铅离子等污染物表现出较高的吸附能力.用MoS2修饰过的氧化石墨烯材料吸附重金属离子的吸附量比未修饰的石墨烯高出5倍;氧化石墨烯-MoS2对汞离子的吸附量达到1245mg/g.另外发现氧化石墨烯-MoS2对有机溶剂和有机染料也具有良好的吸附效果.     

三维石墨烯基多孔碳材料的制备及对污染物的吸附性能研究进展

一维的碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)和二维的氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)是常见的碳纳米材料,被广泛应用于环境污染物的吸附去除。它们在水体中易发生团聚和堆积,使其在实际应用中受到限制,因此急需寻找新型吸附碳材料。近十年来,随着对碳基纳米材料的深入研究,三维石墨烯基多孔碳材料(Three-dimensional graphene-based porous carbon materials,3D GBMs)引起了研究者的密切关注。3D GBMs是由石墨烯基纳米材料在一定条件下组装形成的多孔碳材料。它不仅具有高孔隙率和大表面积的特点,还有良好的力学性能,且易于回收和循环利用。3D GBMs因继承了单体材料的性能,已成为近年来研究的热点。根据3D GBMs独特的结构和性能,其已被应用于环境修复、催化剂和能源储存等诸多领域。然而,关于3D GBMs的研究依然存在一些挑战。例如,前驱体的原材料、尺寸、p H值可能影响3D GBMs的吸附性能;制备方法有待选择和优化,冷冻干燥处理过程对3D多孔结构的破坏等,这将直接影响3D GBMs性能的发挥。因此,3D GBMs的制备流程需要进一步深入探讨,以期更好地满足实际应用的需求。目前,研究者通过水热还原、化学还原及化学气相沉积等方法制备了不同性能的3D GBMs。不同的制备方法归根结底是对3D GBMs进行各种功能化处理。研究发现,通过不同处理方式功能化的3D GBMs吸附剂,均可对目标污染物达到良好的去除效果。然而,3D GBMs的吸附性能受多种因素影响,其中合成环节是研究3D GBMs吸附性能的主要关注点。这是因为前驱体、制备条件及干燥过程等均能影响3D GBMs的结构和性能。了解不同制备过程对3D GBMs吸附性能的影响,将有助于推广其在环境污染治理领域的应用。本文总结了3D GBMs不同的制备方法,同时以制备流程为主线,重点论述了各制备环节对3D GBMs吸附性能的影响。最后,提出了三个主要的展望方向:水凝胶在实际应用中的角色剖析、表面积测定新方法、3D GBMs的潜在环境风险。本文不仅能推动3D GBMs在水处理领域的发展,而且也将为其在其他领域的制备和应用提供理论指导。     

石墨烯基TiO_2光催化剂的研究进展

综述了石墨烯基TiO2光催化剂复合材料如石墨烯-TiO2、氧化石墨烯-TiO2和还原氧化石墨烯-TiO2的最新研究进展。概述了这些材料的制备方法、相关的基本原理和石墨烯基复合材料在污染物光催化降解方面和水分解制氢的应用。     

石墨烯导热材料研究进展

石墨烯作为一种具有超高热导率的二维纳米材料,在导热领域有着广阔的应用前景.本文综述了石墨烯导热材料的研究进展,介绍了石墨烯本征热导率及其层数、缺陷、边缘情况等对热导率的影响,分析了石墨烯纤维的研究现状及存在的问题,讨论了各类石墨烯导热薄膜(纯石墨烯薄膜/石墨烯杂化薄膜/石墨烯聚合物复合薄膜)热导率的影响因素,归纳总结了各类三维石墨烯导热材料(无规分散石墨烯三维复合材料和特定结构石墨烯三维复合材料)的结构、性能与研究现状,最后指出了目前几种导热材料研究存在的问题并展望了石墨烯未来导热领域的发展方向,尤其是在LED照明、智能手机等高功率、高度集成系统中,石墨烯导热材料有着良好的发展前景.     

金属有机框架材料对水体中有机污染物的吸附去除及氧化降解研究进展

随着水体环境中抗生素、内分泌干扰物及持久性有机物等大量新兴污染物的频繁检出,寻求高效、经济的污染物处理和治理技术迫在眉睫。金属有机框架(Metal organic frameworks, MOFs)材料是一类由金属离子或金属簇与有机配体结合的有机-无机杂化材料,具有孔隙率高、结构多样、孔径可调、配位点不饱和及功能可设计性强等特点,可广泛应用于有机污染物的吸附去除和氧化降解。本文综述了MOFs材料的合成方法及分类,阐述了其对水体中有机污染物的吸附和催化降解机理,探讨了温度、pH、MOFs浓度和离子强度等相关因素对MOFs材料去除污染物的影响,并对今后MOFs材料的研究方向进行了展望,以期为MOFs材料在环境污染修复领域的研究和应用提供理论基础。     

碳材料促进硝基/卤素取代类有机污染物还原降解的研究进展

碳材料,包括纳米碳(石墨烯、碳纳米管等)和无定形碳(活性炭、生物炭和黑炭等),因其比表面积大、表面性质各异、导电储电性能优异,已被广泛应用于化工、能源、环保等领域。在环境应用中碳材料主要被用作吸附剂,但近十年来,碳材料作为电子传递介质与环境中多种电子供体(硫化物、产电微生物等)和电子受体(有机污染物、≡Fe~(III)等)的相互作用逐渐成为环境领域的研究热点。研究碳材料的电子传递过程和控制机理,对于理解和开发其在环境过程和环境修复中的作用意义重大。现有的相关研究主要集中在碳材料促进硫还原和微生物还原系统中硝基芳香类(NACs)和卤代烃类(R-X)污染物的还原降解,然而,碳材料的作用机理受电子供体种类、污染物性质和碳材料表面特征等因素影响,其发生机理各不相同,目前已被广泛认知的机制主要有以下三种:(1)碳材料表面官能团(如醌类)作为氧化还原媒介,提高电子传递效率;(2)碳材料的石墨化结构和表面缺陷位的导电作用,能够高效传导电子;(3)在硫化物还原体系中,吸附态S2-在碳表面形成的中间体作为还原活性位点,加速污染物的还原。此外,碳材料比表面积、孔隙度和表面电性的差异,有机污染物自身结构性质的差异,含碳体系(生物、非生物)的差异等因素也会直接或间接地影响碳材料对有机污染物催化还原降解的主控机理。由于碳材料自身结构和表面性质的复杂性,现有研究对该类过程的机理认知还不完整。本文系统地梳理了国内外有关碳材料介导NACs和R-X类有机污染物还原降解过程的作用机理,列举了依据现有的机理认知来提高碳材料性能的改性技术及其应用。对纳米碳材料而言,表面修饰和表面掺杂等通常能提高其传质效率和能量利用效率;对于多孔碳材料而言,化学活化(H3PO4或ZnCl2)和热处理等手段能增大碳材料比表面积,提高其导电性和电子储存能力,从而加强碳材料对NACs和R-X的催化降解效果,为应用碳材料修复地下水环境污染提供理论依据。碳材料促进有机污染物转化的现实意义在于:一方面,自然界中存在多种碳的形态,将直接或间接影响环境中有机物的迁移转化和元素循环;另一方面,碳材料具有环境友好性,其对有机污染物的催化降解作用在环境修复中具有巨大的应用潜力。碳材料也有望在今后的环境功能材料方面发挥更大的作用,为地下水中NACs和R-X的去除提供新的理论指导。     

石墨烯基材料的生物医用性能及其应用

石墨烯基材料由于具有优异的物理和化学性能,近年来获得了广泛的研究和应用。介绍了石墨烯基材料及其生物特性,讨论了石墨烯材料产生毒性的影响因素和预防措施,对石墨烯基材料在生物医用领域(如药物载体、生物传感器、光热治疗和组织工程材料)的应用情况进行了论述,并对石墨烯基材料的研究发展方向与应用前景进行了展望。     

氧化裂化合成生物质碳材料及其电化学性能研究

生物质碳材料具有成本低、来源广泛、孔隙率可调可控、形貌多样、易生产、易掺入杂原子等优点,因此,生物质碳基材料的开发和应用成为现代材料科学一个非常重要的领域。将植物叶片用不同氧化剂进行水热氧化处理,600℃碳化得到生物质碳材料。水热氧化处理工艺与传统热裂解工艺相比,降低了裂解温度,极大程度保持了叶片脉络结构,得到类石墨烯的薄层碳化材料。样品通过XRD、XPS、TEM、SEM等进行表征。结果表明,用不同氧化剂水热氧化所得到的碳材料元素组成和微观结构差别较大。当氧化剂为高锰酸钾时,所得到的生物质碳材料(MnOC)既保留了叶片原有的微观孔道,又形成了新的孔隙,比表面积可达482.934 m^2/g,平均孔径为3.833 nm。从XPS、XRD分析可以看出,MnOC样品石墨化程度相对较高,并最大程度保留了N元素(原子百分比为6.5%)。TEM、AFM图像分析表明,MnOC样品呈片层结构,厚度不足2 nm,将其制备成电极片,在电流密度为1 A/g时,比电容可达191.15 F/g。     

石墨烯基气凝胶微球的研究进展

近年来,石墨烯基气凝胶(GAs)因其低密度、高比表面积及多孔结构等优异特性被广泛研究并在诸多应用领域内表现出极大的潜力.但是传统块状石墨烯基气凝胶往往具有设备依赖性强、材料尺寸大及量化生产性差等缺点,并且忽略了特定应用场景对材料形状尺寸的要求,从而限制了其实际应用与发展.石墨烯基气凝胶微球(GAMs)作为一种具有新颖结构的新型材料,不仅具有GAs的各种优势特征,而且具有灵活可控的尺寸及可量化生产能力等优点,大大丰富了GAMs的应用场景.本文将对GAMs的制备方法及其结构特征,以及在水污染处理、电磁波吸收、电催化等领域研究现状进行详细阐述,指出微球成形组装过程中的内在机制.     

石墨烯三维宏观体的构筑及石墨烯基复合材料对水体中常见污染物的去除研究进展

系统总结了石墨烯基三维宏观体材料的几种构筑方法,综述了石墨烯基复合材料在染料、重金属离子、油类和有机溶剂等水体常见污染物中的研究进展。石墨烯基复合材料的稳定性能、高效、再生、成本及其在水处理领域的实际应用仍然是今后研究的重点。