石墨烯是一種新型的納米材料，具有一些獨特的物理和化學性質，如高機械強度、良好的導電導熱性、比表面積、化學穩定性好等。關于石墨烯的應用涉及到電子、信息、能源、材料、催化和生物醫藥等多個領域。

　　概述了近年來石墨烯復合材料在水處理過程中對重金屬離子的吸附研究，內容有石墨烯復合材料的制備及它們的吸附效果、吸附機理、吸附動力學、熱力學，并就今后石墨烯復合材料在水處理過程中的應用進行了展望。

　　1、引言

　　隨意排放的含有重金屬離子的廢水近年來逐漸成為世界范圍環境保護主義者共同關注的焦點。如來源于金屬冶煉廠、化工廠、采礦場和電池廠等所排放的廢水中含有一種甚至多種有毒的重金屬離子。這些有毒重金屬離子可使生物體中的酶失去活性，即使含量很小也有毒性，主要是由于它們能在生物體內積累，不易排出體外，故危害極大；從環境保護的角度，這些含有有毒重金屬離子的廢水在排放之前必須要經過處理。除去水中重金屬離子的方法有離子還原、共沉淀、膜過濾、離子交換和吸附等。在這些方法中，吸附法由于具有相對低的成本、操作簡單、不產生二次污染、容易再生等優點，因而應用比較廣泛。吸附法的關鍵是找到有效的吸附劑，該吸附劑應具有較高的吸附量、較快的吸附速率、方便回收及容易再生等特征。碳納米材料中活性炭、多孔碳、碳納米管由于具有化學性質穩定、比表面積大、孔結構分布范圍廣和可實現大規模生產等優點被用作吸附劑用于廢水處理。但活性炭和多孔碳的吸附量不高，吸附速率較慢；碳納米管的吸附效果較好，但其大規模生產的成本仍較高。與碳納米管具有相似結構但擁有更大比表面積的石墨烯一經出現就被認為是一種理想的吸附材料。

　　石墨烯(graphene，GN)自2004年被發現以來，由于其獨特的結構與性能，使其迅速成為國際新材料領域研究的焦點。GN是由單原子層的碳原子經過sp2雜化形成的二維原子晶體，單層GN示意圖如圖1(a)所示。這種特殊結構蘊含了豐富而新奇的物理現象，使GN表現出許多優異的性質。例如，GN的強度是已知材料中最高的，達130GPa，是鋼的100多倍；其載流子遷移率達15000cm2/(V·s)，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的兩倍，超過商用硅片遷移率的10倍以上；其熱導率可達5000W/(m·K)，是金剛石的3倍；其理論比表面積高達2630m2/g。

圖1　GN及GO結構示意圖

　　此外，GN還具有室溫量子霍爾效應及鐵磁性等特殊性質。這些性質使GN在諸多領域都有著潛在的應用，如場效應晶體管、太陽能電池、鋰離子電池、超級電容器、傳感器、復合材料、催化、吸附、藥物輸送等。同時又由于GN具有性能優異、成本低廉、可加工性好等眾多優點，人們預測GN在21世紀將掀起一場新的技術革命。

　　由于具有機械強度高、化學性質穩定、比表面積大等突出優點，GN在水處理中的應用前景值得期待。但GN的結構為sp2雜化的C原子形成的單原子層，這使其表現出明顯的憎水性。此外，由于范德華力的作用GN片層容易重新堆積形成石墨。在實際應用中常用的是氧化石墨烯(grapheneoxide，GO)，它是石墨氧化的產物，經過還原即可轉化為GN。GO表面含有大量的含氧，如—COOH和—OH等。這些含氧官能團不僅使GO在水中表現出親水性，而且還可成為活性吸附位吸附水中的重金屬離子，更是制備石墨烯復合材料的前驅體。GO的結構如圖1(b)所示。本文概述了石墨烯復合材料的制備及其作為吸附材料除去水中重金屬離子的吸附效果、機理、動力學、熱力學，最后對石墨烯復合材料在水處理中的應用進行了展望。

　　結語

　　自從發現穩定存在的單層GN結構以來，關于GN的研究不斷取得重要進展，在微電子、量子物理、材料、化學、環境等領域都表現出許多令人振奮的性能和潛在的應用前景。石墨烯復合材料吸附金屬離子在相對低的pH值時主要靠離子交換，在相對高的pH值時可以是靜電作用也可以是絡合作用或兩者兼而有之；吸附過程一般均可用準二級動力學來描述；吸附等溫線符合Langmuir模式；吸附熱力學為一自發、吸熱的過程。

　　石墨烯復合材料穩定性好、成本低、容易回收、方便再生，同時對重金屬離子的飽和吸附量高、吸附速率快。此外，GN與含有苯環的芳香化合物之間存在強的π-π作用，這是石墨烯復合材料用于吸附除去水中芳香污染物的理論基礎。由此可見，石墨烯復合材料作為新型吸附材料不僅可以有效的除去水中的重金屬離子，同時還可高效的除去水中的芳香化合物。另外，不得不提的是負載半導體光催化劑(如TiO2、ZnO等)的復合材料在光催化降解水中污染物方面也有著優異的表現。可以預見在不遠的將來，石墨烯復合材料在水處理領域必將大顯身手。