多孔石墨烯的制备及其对有机污染物的吸附性能(2)

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石墨烯及其衍生物的结构示意图

1.1 石墨烯的简介

石墨烯是由sp2杂化的碳原子组成的单原子层厚度的二维片状材料。自从2004年实验上首次发现以，由于其独特的电学、光、力学、热学、电化学性质，石墨烯倍受物理学家和化学家的青睐。与石墨和碳纳米管相比，石墨烯在电化学应用方面显示了诸多优势。石墨烯拥有比石墨大得多的比表面积2630m2/g，石墨烯的电子传导性能也比石墨优异。与石墨相比，而石墨烯柔软，易于弯曲，这有利于其在柔性电子器件和能量存储器件领域的应用。石墨烯修饰的电极拥有比石墨分布更均匀的的电化学活性位点，其电化学性能与碳纳米管类似。石墨烯常温下的电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，因此被期待可用来制作微型化、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管，也可以用来制造触控屏幕、甚至是太阳能电池。

1.2石墨烯的制备方法源'自:751-'论]文'网"www.751com.cn

近年来，很多学者都在致力于探索单层石墨烯的制备方法，特别是宏量制备较具有稳定结构石墨烯的途径，以便系统地研究这种新型材料的物化性质和可能的应用。但到目前为止，石墨烯的制备依然没有得到根本性的突破，目前有关石墨烯的制备方法有许多，通常分为物理方法和化学方法[5]。物理方法是以廉价的石墨或膨胀的石墨为原料，通过微机械剥离法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯，此法原料易得，操作相对简单，合成的石墨烯纯度高、缺陷少，但费时、产率低，不适于大规模生产。化学方法最早是以苯环或其他芳香体系为核，通过多步偶联反应取代苯环或大芳香环上6个，循环往复，使芳香体系变大，得到一定尺寸的平面结构的石墨烯。2006年Stankovich等首次用肼还原石墨烯氧化物(graphene oxide, 以下简称 GO)，脱除其中的含氧基团从而恢复单层石墨的有序结构(氧化−还原法)，在此基础上人们不断加以改进，使得氧化−还原法成为最具有潜力和发展前途的合成石墨烯及其材料的方法。除此之外，石墨烯的制备方法还有晶体外延生长、加热SiC法、化学气相沉积法、碳纳米管或富勒烯转换法等。本文通过改进的Hummers方法制得氧化石墨，经过透析、冷冻干燥、高温退火等过程制得石墨烯。

1.3 石墨烯的吸附性能

在众多去除污染物的水处理技术中，吸附被认为是最常用且高效低成本的技术。石墨烯的理论表面积可达到2630m2/g，并且含有大量可自由移动的π电子，可以和苯环形成π-π电子堆积作用，已经被认为是良好的吸附剂或者分离材料[6]。Sun[7]等制备了基于石墨烯的多孔疏水纳米材料，用于吸附石油污染物和甲苯等极性溶剂，实验研究表明，此多孔材料有高吸附性能、再生性能优越、价格低廉等优点，极具实际应用价值。Dong[8]等采用化学气相沉积法，制备出石墨烯-纳米管复合材料，此材料具有三维网状结构、超疏水性、强大的吸附能力，可选择性去除水中油类及有机溶剂。同样的，Shi[9]等用天然酚酸还原氧化石墨烯制备石墨烯材料，原位自组装成3D立体结构的石墨烯。该方法简便，成本低廉，而且产物密度小、孔隙率高、机械强度强，可应用于吸附污水中各类染料。但目前对于石墨烯的吸附机理没有明确的结论，有人认为石墨烯的缺陷位点或者表面官能团起作用；而有的研究者认为是石墨烯的共轭结构起主要作用，其可以与有机物之间通过π-π作用，或者静电吸引作用，实现对水体中有机污染物的吸附。尽管对于石墨烯的吸附机理并无明确结论，但大量的研究结果已经表明石墨烯在污水处理方面具有广泛的前景[10-12]。