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石墨类材料吸附重金属离子的研究 摘 要 自石墨烯发现以来，石墨烯已经在大量领域中获得越来越多的关注，这是由于石墨烯具有良好的电学性能，机械性能，热性能，光学和传输性能。石墨烯具有极大的比表面积，这使得大量的研究者把它作为水净化的吸附剂来进行研究。最近，其他与石墨烯相关的材料例如：氧化石墨烯，还原氧化石墨烯，以及氧化石墨烯纳米复合物等已经被广泛研究，用于除去废水中各种各样的污染物。在这篇综述文章中，描述了有关石墨类材料用于吸附的知识，以及列举了部分用于吸附废水中金属离子的石墨烯纳米复合材料。 关键词： 石墨烯； 水污染； 吸附剂  1.引言 在发展中国家和工业国家，急速增长的工业、农业以及人类活动已经不可避免的使得周围水体中的有毒污染物增加，干净的水会被许多污染物污染，这些污染物报括潜在的有毒元素、有机染料、酚类化合物、农药、除草剂等等[1]。这些污染物大都具有生物累积性、持久性、致癌性、致突变性并且对水生有机体、植物、动物、以及人体健康会产生不利影响[2]。 随着污染物的任意排放，以及一些严格法规的执行，出现了大量的废水处理研究，这也促进了废水处理技术的发展。在所有被提出的技术中，吸附被认为是水处理技术中最有发展前景的一种方法，这主要是它的多功能性，广泛可试用性以及经济上的可行性。由于活性炭具有极高的多孔结构和较大的比表面积，所以活性炭被用于除去饮用水中的各种污染物例如：金属离子、有机染料、苯酚类、农药、氯代烷烃、洗涤剂等等[3]。但是出于经济考虑，活性炭的广泛应用被限制。因此大量的研究者竭力寻找一种可代替活性炭的廉价吸附剂来进行水处理[4]。在近十年里，纳米结构的碳材料例如碳纳米管被用作吸附材料来除去有机与无机污染物，主要是因为这类材料独一无二的形态以及新的物理-化学性质[5]。尽管在近几年里碳纳米管在吸附应用方面已经取得了巨大的进展，但它较高的制作成本限制了它的实际应用[6]。因此开发一种新的有发展前景的吸附剂依旧是十分必要的。 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。这个新发现的碳的同素异形体有极大的比表面积并且拥有突出的电学性能、机械性能、热性能、化学性能[7]。石墨烯是世界上最薄也是最坚硬的纳米材料，石墨烯对最小的气体分子（报括氦气）也是不透的[8]。鉴于石墨烯这些良好的性质，它已经吸引了大量的研究者去研究它的应用。石墨烯的应用范围主要包括：纳电子器件方面、代替硅生产超级计算机、光子传感器、基因电子测序、减少噪音、隧穿势垒材料以及其他方面的应用。最近几年，石墨烯用于吸附废水中的有毒物质也已经获得了广泛的关注，因为石墨烯独特的性质例如：石墨烯具有sp2杂化碳纳米结构，具有较高的比表面积并且很容易经石墨制备而获得。大量的实验研究已经将石墨烯用于吸附有机染料[9]、金属离子[10]以及有机污染物[11,12]。 近几年来，石墨烯的多种应用不单单促进了其自身的发展也促进与它相关材料（氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、多层氧化石墨烯）的发展[13]。石墨经过化学剥离会获得石墨烯的最高氧化形式即氧化石墨烯，氧化石墨烯是石墨烯的重要前体[14]。在氧化石墨烯的石墨骨架中有大量的含氧官能团，在它的单片上随机分布着羟基和环氧基，而在单片的边缘则分布着羧基和羰基[15]。由于氧化石墨烯具有较大的比表面积、在表面有含氧官能团且水溶性较好，因此在吸附应用方面也获得了大量的关注。许多研究者已经报道了用氧化石墨烯来去除废水中的有毒物质。氧化石墨烯表面的含氧官能团可以通过配位和静电相互作用来结合金属离子和带正电荷的有机化合物，从而达到净化水的作用[16]。还原氧化石墨烯以及多层氧化石墨烯最近也被用于吸附研究，并且被认为是低成本以及高效的水净化材料。 石墨烯具有较高的比表面积，较大的离域π电子以及可调节的化学性质使得其成为良好的环境净化吸附剂[17]。然而，当大量的石墨烯用于吸附实验时，由于石墨烯平面间较强的相互作用，它容易聚集和堆叠形成石墨粉末。至于氧化石墨烯，在氧化石墨烯与阴离子之间会发生静电排斥，使得它们间的亲和力很弱。在石墨烯表面通过共价键或是非共价键作用修饰不同的分子或是纳米粒子可以克服这些缺点。用纳米粒子或是其他官能团修饰的石墨烯材料表面的官能团可以增强材料的灵敏度、选择性和检测限。这就使得这些材料在吸附应用方面可以进一步的进行探索和研究[18-20]。此外已经有许多基于石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯的纳米复合材料被成功合成，并且用作吸附剂来进行水净化处理。 由于石墨烯材料有趣的物理和化学性质，因此最近有关于石墨烯纳米材料用作吸附剂来进行水处理的文章正在急剧增加，研究者对这些材料越来越感兴趣。石墨烯材料用于水处理的研究已经到了策略更新阶段，因此在该研究领域