石墨烯(graphene，GE)是一種由sp2雜化的碳原子以六邊形排列形成的周期性蜂窩狀二維碳質(zhì)新材料，具有比表面積大、電子遷移率高和化學穩(wěn)定性強等特性。本文重點總結(jié)了近年來石墨烯及其復合材料應用于水處理吸附劑及光催化劑兩個方面的研究進展。石墨烯及其復合材料對于處理重金屬、有機污染物等污染物質(zhì)的吸附效果好，吸附容量高;與光催化材料結(jié)合后，石墨烯由于其獨特的物理化學特性有效增強了復合材料的光催化特性。最后對各種石墨烯及其復合材料在水處理中的應用作出了評價，同時對它們在水處理中的應用前景做了展望。

1、引言

　　石墨烯(graphene，GE)是一種由sp2雜化的碳原子以六邊形排列形成的周期性蜂窩狀二維碳質(zhì)新材料。2004年，英國曼徹斯特大學物理和天文學系的Geim和Novoselov等用膠帶剝離石墨晶體首次獲得了石墨烯，并由此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯物理化學性質(zhì)獨特，是世界上最堅固的材料之一，理論比表面積高達2630m2/g，具有良好的導熱性和高速的電子遷移率(200000cm2/(V·s))，可作為電極材料、傳感器、儲氫材料。同時，用于制備石墨烯及其復合材料的石墨來源廣泛，石墨烯及其復合材料，相比碳納米管，價格較低廉，制備過程簡單，許多學者開始研究石墨烯及其復合材料在水處理中的應用。圖1為單層石墨烯分子模型。

圖1 單層石墨烯分子模型

2、石墨烯的制備和性質(zhì)

　　近年來，石墨烯制備已經(jīng)取得了積極的進展，石墨烯的制備過程通常是石墨-氧化石墨-氧化石墨烯-石墨烯，其制備過程見圖2。常見的石墨烯類碳材料包括石墨烯、氧化石墨烯和還原氧化石墨烯等。石墨烯的制備方法主要有微機械剝離法(micromechanicalcleavage)、化學氣相沉積法(chemicalvapordeposition)、晶體外延生長法(epitaxialgrowth)、膠體懸浮液法(colloidalsuspension)等。在水處理中應用的石墨烯，考慮到制備方法、制備成本及規(guī)模，大多采用化學方法制備，其中氧化還原法應用最為廣泛。氧化石墨烯(grapheneoxide，GO)通常是由石墨經(jīng)化學氧化、超聲制備獲得。因石墨來源廣泛，價格低廉，氧化石墨烯便于大規(guī)模生產(chǎn)。同時，氧化石墨烯擁有大量的羥基、羧基、環(huán)氧基等含氧基團，是一種親水性物質(zhì)，與許多溶劑有著較好的相容性，非常適合在水處理中應用。

　　目前報道的常用的石墨氧化方法主要有Brodie法、Standenmaier法以及Hummers法。其基本原理都是先用強酸處理石墨，形成石墨層間化合物，然后加入強氧化劑將其氧化。其中使用濃H2SO4、NaNO3及KMnO4作氧化劑的Hummers法最為常用，該方法縮短了制備的時間，提高了安全系數(shù)，水處理應用中多采用該方法。氧化石墨烯可以通過化學法(利用還原劑如水合肼，二甲肼，硼氫化鈉等)、熱剝離法、紫外光輻射法、微波法等方法還原成石墨烯。將氧化石墨烯表面的含氧基團部分還原后得到還原氧化石墨烯(reducedgrapheneoxide，RGO)，提高了其表面電勢，相比氧化石墨烯，對于水中陰離子污染物的吸附能力有所增強。

圖2 還原氧化法制備石墨烯路線示意圖

5、總結(jié)與展望

　　石墨烯分散性不好在水溶液中應用受到限制，而氧化石墨烯表面含有羥基、羧基、環(huán)氧基等含氧基團，親水性較好，表面的負電荷較高，對于處理金屬離子和帶正電荷的染料廢水均具有較好的效果。還原氧化石墨烯表面的含氧基團被部分還原，提高了材料的表面電勢，可處理表面帶負電荷的有機染料廢水及部分陰離子污染物。石墨烯及其復合材料在光催化性能方面能起到有效作用，主要歸結(jié)為以下三方面。首先，比表面積大，增強復合材料的吸附能力。其次，較高的電子傳遞能力，可作為電子受體，延緩電子-空穴對的復合，增強復合材料的光催化活性。最重要的是石墨烯使復合材料的光譜響應拓展至可見光區(qū)，降低光催化材料的能帶間隙。

　　從目前的研究來看，石墨烯在水處理領(lǐng)域應用的主要突破在于材料、化學和環(huán)境治理的交叉研究。研究新型的石墨烯復合材料主要是依據(jù)材料本身去除污染物的特性，通過與石墨烯類碳材料復合，來增強材料在吸附、電子傳遞及還原等方面的能力。石墨烯及其復合材料去除污染物的機理目前還不清楚，從機理出發(fā)探求石墨烯基復合材料對水中重金屬、無機物、有機污染物，特別是新型難降解污染物的去除有較大的研究空間。此外，石墨烯及其復合材料的穩(wěn)定性還需提高，放量制備穩(wěn)定的石墨烯復合材料也是石墨烯廣泛應用于水處理的難點問題。易于分離、環(huán)境友好的磁性石墨烯復合材料在水處理中的應用具有廣闊的發(fā)展前景，但是石墨烯復合材料大量、廣泛地應用到水處理工程中仍需時日。