石墨烯复合纳米材料在环境水体修复中的研究与应用①

1、石墨烯复合纳米材料在环境水体修复中的研究与应用    摘 要:石墨烯作为sp2碳原子组成的一种新型二维纳米材料,具有独特的光学和电学性质,已经成为了材料学、分析化学、环境化学、能量储存等领域的研究热点,并且在环境污染物的分析检测及修复等方面具有很大的潜力,已经得到了许多振奋人心的研究成果。本文在阐述石墨烯结构、特性及其功能化的基础上,对石墨烯纳米材料在环境水体修复方面的研究进行了简要概述,同时展望了其在环境水体修复中的发展前景及方向。关键词:石墨烯 复合纳米材料 环境分析 水体修复 研究与应用中图分类号:TQ02 文献标识码:A 文章编号:1672-37

2、91(2011)11(b)-0036-011 石墨烯的结构与性能石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子排列成的二维结构,是目前已知最理想的和最薄的新型二维纳米材料,厚度约为0.35nm,是构建其它维数碳质材料如:零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨的基本单元1。石墨烯的这种特殊结构蕴含了丰富而奇特的物理现象,使其表现优异的力学性能、电学性能、导热性能、光学性能(图1)。2 石墨烯复合纳米材料在环境水体修复的研究与应用在环境水体修复领域应用较多的石墨烯衍生物主要是功能化的氧化石墨烯(或称石墨烯氧化物)。氧化石墨烯通常是由石墨经化学氧化、超声制备获得。氧化石墨烯含有大量的含氧活性基团,因

3、而具有良好的生物相容性和水溶液稳定性,同时有利于化学功能化修饰2。2.1 石墨烯复合纳米材料光催化降解水体污染物石墨烯除拥有表面积大、化学稳定性好、吸附能力强等优势外,还具有更为优异的电学性质和规整的平面二维结构,这使得其可以成为比碳纳米管性能更为优异的载体材料和电子或空穴传递的多功能材料。在光电转化和光催化过程中,将石墨烯与半导体光催化剂相结合,可实现两种材料相互协同的完美效果。石墨烯不仅能增强复合材料对水体污染物的吸附性能,而且将复合材料的光谱响应范围拓展至可见光区。同时,石墨烯可以作为有效的电子受体促进半导体光生电子-空穴分离,从而增强了复合材料的光催化活性。通过石墨烯结构的调控,可以实

4、现对其电子结构的调控,从而可以用来制备具有多功能性质的复合材料,实现对水体污染物的高效降解3。2.2 石墨烯复合纳米材料有效抑制细菌生长研制和利用抗菌材料来抑制和杀灭有害细菌是提高人类健康水平的重要方面。传统的抗菌材料易导致微生物的抗药性,还会造成严重的环境污染。纳米技术的发展,为有效除菌提供了新的思路。石墨烯作为碳材料的代表之一,本身对生物体的毒性低,具有高度生物兼容性,同时又是新型优良的抗菌材料。Hu等探索了氧化石墨烯的抗菌特性,发现氧化石墨烯纳米悬液在与大肠杆菌孵育2h后,对其抑制率超过90%,进一步的实验结果表明氧化石墨烯的抗菌性源于其对大肠杆菌细胞膜的破坏。将TiO2与石墨烯复合制备

5、成TiO2-石墨烯复合膜,并将其用于光催化大肠杆菌的研究,结果表明,复合薄膜的光催化杀菌活性显著增强。石墨烯复合纳米材料具有良好的稳定性、重复性、再生性,而且由于石墨烯的制备简便、成本低廉,这种新型的碳纳米材料在环境污染控制领域具有广阔的应用前景4。3 展望目前,随着基于石墨烯的研究持续升温,石墨烯已展示出重大的科学意义和应用价值,且在环境水体修复领域展现出独特的应用优势。但目前大多只是处在理论和实验研究方面,缺乏大规模实际应用。未来发展成本相对低廉、层数可控的大规模石墨烯制备技术和进一步加强对石墨烯及其衍生物表面功能化的研究将有助于推动其产业化发展。参考文献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.    相关论文    · 一维氧化物纳米材料的合成及应用· 纳米材料有毒吗· 纳米材料化学双语教学的初步实践与探讨·