作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”、“新材料之王”。科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。環(huán)保科研人員也興趣盎然，在這種單原子薄膜上“精工細(xì)作”，他們相信，石墨烯在潔水去污、凈化環(huán)境等方面，蘊含著巨大的潛力。

石墨烯（Graphene）

是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六邊形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。想象一下，每一個碳原子，與周圍三個鄰居以共價鍵連接，一層碳原子就這樣構(gòu)成了一個由無數(shù)個六邊形組成的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此時，小編建議您回想一下足球球門六邊形球網(wǎng)的樣子。

海姆與諾沃肖洛夫贈送給瑞典諾貝爾博物館的石墨、石墨烯電晶體與“簽名款”膠帶

石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗室從石墨中分離出石墨烯，從而證實它可以單獨存在，兩人也因此共同分享了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

說到這一分離過程，小編不得不驚嘆：某些偉大的創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)，是極富靈動的頭腦 + 奇妙想象和實踐的過程。海姆和團(tuán)隊成員偶然地發(fā)現(xiàn)，將石墨片放置在塑料膠帶中，折疊膠帶粘住石墨薄片的兩側(cè)，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復(fù)這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，其中由一層碳原子構(gòu)成就是石墨烯，因此被媒體稱為“膠帶撕出的諾貝爾獎”。

“能屈能伸”的石墨烯

石墨烯由單層原子構(gòu)成的。碳原子之間相互連接成六角網(wǎng)格。這種結(jié)構(gòu)，就使得石墨烯彎曲靈活，變幻無窮。鉛筆里用的石墨就相當(dāng)于一層一層的石墨烯疊在一起，而富勒烯（足球烯、C60）可以看成是石墨烯按一定方式被團(tuán)成了一個球，碳納米管則是石墨烯卷成了筒狀。這就好比被搟好的面皮兒，可以做成千層餅、麻團(tuán)兒和卷餅。

石墨烯類碳材料與水處理

1.氧化石墨烯薄膜——海水淡化不再是天方夜譚

氧化石墨烯

海水淡化

石墨烯以獨特的力學(xué)和電學(xué)特性被稱為“神奇材料”，它與水的相互作用有趣，卻也是令人困惑的：石墨烯表面排斥水分子，但當(dāng)石墨烯薄膜浸入到水中時，毛細(xì)通道卻允許水分子快速滲透。石墨烯與水之間的這種“若即若離”的關(guān)系令科學(xué)家著迷。近年來，科學(xué)家一直探索著將石墨烯家族作為新型材料在水處理中加以應(yīng)用。一種石墨烯衍生物——氧化石墨烯（graphene oxide，GO）薄膜作為可用于過濾工藝的替代品，受到了大量的關(guān)注。氧化石墨烯的這一性質(zhì)，能夠為水處理領(lǐng)域的研究提供新的更廣闊的思路。

聯(lián)合國2016年3月21日公布的數(shù)據(jù)顯示，到2025年，全球?qū)⒓s有18億人口面臨絕對缺水的問題，約三分之二的人口可能要在用水緊張的條件下生活。嚴(yán)格地講，我們的藍(lán)色星球并不缺“水”——地表超過七成面積被海洋覆蓋。人們守著這個巨大“水資源寶庫”，卻無力掘出寶藏?，F(xiàn)在，研究人員實現(xiàn)了利用氧化石墨烯薄膜篩選食鹽這一吃香的技術(shù)，用于海水淡化。

在此之前，氧化石墨烯薄膜早已被證實可被用于過濾小型納米粒子、有機分子以及大顆粒鹽。然而對于尺寸更小的海水中的鹽，則束手無策。因為氯化鈉在水中溶解后，其離子會被水分子簇?fù)?，周圍形成一層“水膜”，即水合層。問題是，氧化石墨烯長時間浸泡在水中后會變形擴(kuò)張，“篩孔”變大，小顆粒鹽分會隨水分子一同流過薄膜，因此很難進(jìn)行有效的分離。想要用于鹽的篩選，就需要更細(xì)密的“篩子”。

人類的需求，是科學(xué)探索的動力。研究人員對這些石墨烯薄膜進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)了一種避免薄膜在水中膨脹的方法——利用環(huán)氧樹脂在氧化石墨烯側(cè)面“筑墻加固”，不僅有效地阻止了變形，還可以可精確控制薄膜的孔隙大小，阻擋鹽分隨水流過，水分子能通過這層屏障，據(jù)此過濾海水中鹽分，將鹽水變?yōu)榈?，脫鹽應(yīng)用十分理想。

小編要暢想一下，未來家里洗衣做飯的自來水，主要來自海水。海水淡化的過程，簡單到只需在水龍頭上安裝一個凈水設(shè)備，其內(nèi)部裝有更強大的功能化石墨烯類碳材料薄膜。

2.石墨烯類碳材料及其復(fù)合物——水處理中的優(yōu)質(zhì)吸附劑

在水處理中，石墨烯類碳材料除了利用其過濾的作用外，還有一個重要的作用，就是吸附。作為水處理吸附劑，可吸附三類污染物: 有機物，金屬離子與無機陰離子。

石墨烯巨大的比表面積使它成為優(yōu)質(zhì)吸附劑。常見的石墨烯類碳材料除包括石墨烯和上述的氧化石墨烯外，還有還原氧化石墨烯。后兩者的制備，常用石墨經(jīng)氧化還原反應(yīng)制得。

氧化石墨烯擁有大量的羥基、羧基、環(huán)氧基等含氧基團(tuán)，是一種親水性物質(zhì)，與許多溶劑有著較好的相容性，通過靜電作用、氫鍵或π-π鍵與污染物結(jié)合，進(jìn)而去除染料廢水中有機污染物。例如，在去除亞甲基藍(lán)（MB）過程中，主要是通過靜電作用和π-π鍵起作用。其中靜電作用是因為亞甲基藍(lán)表面帶正電，GO 表面帶負(fù)電。

氧化石墨烯去除金屬離子是由于氧化石墨烯表面的環(huán)氧基、羧基、羥基等含氧基團(tuán)能與金屬離子，尤其是多價的金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。

殼聚糖被認(rèn)為是去除廢水中重金屬污染物最有前景的吸附劑之一，但其機械強度和物理穩(wěn)定性欠佳，人們研究了增強殼聚糖的性能及吸附能力的方法。氧化石墨烯與殼聚糖等吸附劑結(jié)合，形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有巨大的比表面積，可增強吸附性能，是新型石墨烯材料的研究方向。

例如：氧化石墨烯與殼聚糖、Fe3O4等磁性材料等結(jié)合形成復(fù)合材料，可增強材料的表面性能，進(jìn)而提高吸附性能，備受關(guān)注。Fe3O4-殼聚糖-GO 復(fù)合物用于去除亞甲基藍(lán)，該類復(fù)合材料環(huán)境友好、可降解、吸附迅速和易分離等特性是其優(yōu)勢所在。

剛才提到的還原氧化石墨烯( RGO)，對于陰離子染料的去除率高達(dá)95%。這是因為，還原后的氧化石墨烯將GO表面的羰基還原成了羥基，提高了其表面電勢，C—OH和C—H鍵增多，去除特定結(jié)構(gòu)染料分子的作用力主要通過氫鍵作用，對于某些陰離子的吸附能力反而更強。

3.石墨烯類碳材料+光催化材料=水處理中的光反應(yīng)催化劑

石墨烯的復(fù)合材料可作為光催化劑對污染物進(jìn)行光降解。這是由于石墨烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)使之具有較高的電子傳輸性能，在光電轉(zhuǎn)化和光催化應(yīng)用中，將石墨烯類碳材料與光催化材料結(jié)合，在水處理中可以發(fā)揮兩種材料的協(xié)同效應(yīng)。石墨烯類碳材料在復(fù)合材料中作為吸附劑、電子受體，有效增強了常見光催化材料對有機染料和重金屬污染物的光降解效果。

TiO2 穩(wěn)定、無污染，是最佳的光催化材料之一。 但由于光激發(fā) TiO2 產(chǎn)生的電子-空穴對極易復(fù)合，而石墨烯獨特的電子傳輸特性可以降低光生載流子的復(fù)合，提高 TiO2 光催化效率。例如TiO2 /GO復(fù)合物，用以處理亞甲基藍(lán)。在紫外光和可見光下，吸附能力和光催化能力均有所提高。其原因是方面的協(xié)同作用，包括復(fù)合物比表面積的增大，染料分子和芳香環(huán)之間的 π-π 鍵作用以及亞甲基藍(lán)與石墨烯材料表面的含氧基團(tuán)的作用。在光學(xué)特性方面，氧化石墨烯的加入使得Ti—O—C鍵形成，降低了TiO2的能帶間隙，也增強了對有機染料的光降解效果。

小編幫您總結(jié)

石墨烯類碳材料及其復(fù)合物在水處理領(lǐng)域應(yīng)用、主要通過改進(jìn)后石墨烯類碳材料本身的過濾作用，以及與其他功能性化合物復(fù)合，來增強材料在吸附、靜電作用、磁性、電子傳遞及還原等方面的能力，進(jìn)而去除水中的污染物。總之，石墨烯碳材料及其復(fù)合材料在水處理中易于分離、環(huán)境友好的性能具有廣泛的應(yīng)用前景，但大量、廣泛地應(yīng)用到水處理工程中仍需時日。

拓展思維：

石墨烯有望成為除霾神器

目前，一些防霧霾口罩大多靠靜電原理吸附PM2.5。但當(dāng)口鼻中呼出霧氣較大時，靜電作用就會減弱甚至消失，從而了防御PM2.5的效果降低。

此時，石墨烯超高的比表面積和較好的化學(xué)穩(wěn)定性就派上用場了。傳統(tǒng)的過濾材料目前難以制備出超小的孔徑。與本文中氧化石墨烯復(fù)合材料類似，氧化石墨烯與傳統(tǒng)濾材結(jié)合，就可獲得高效除霾的氧化石墨烯基過濾材料。該濾材對PM2.5的去除純屬物理阻隔，因此不受水汽影響，具有長期的穩(wěn)定性。

為了避免有缺陷的石墨烯骨架很薄而存在大量孔洞，組裝成多孔濾膜就可解決這一問題，內(nèi)部孔道交錯縱橫，即使孔徑大于2.5微米時，依然能有效地截留PM2.5，而且呼吸阻力小，保證呼吸順暢。

有缺陷的石墨烯盡管不完美，而科研人員卻挖掘出它內(nèi)在的潛質(zhì)，使其華麗轉(zhuǎn)身，在環(huán)保除污、保障人類健康方面大顯身手。