Как применять графен и его композиционные материалы при очистке воды

Графен (GE) представляет собой периодический сотовый двумерный углеродный материал, образованный гексагональным расположением sp2-гибридизированных атомов углерода. Он имеет большую удельную поверхность, высокую подвижность электронов и высокую химическую стабильность. Эта статья посвящена прогрессу исследований графена и его композиционных материалов в адсорбентах и фотокатализаторах для очистки воды в последние годы. Графен и его композиты обладают хорошим адсорбционным эффектом на тяжелые металлы, органические загрязнители и другие загрязнители, а также обладают высокой адсорбционной способностью. После объединения с фотокаталитическими материалами графен эффективно улучшает фотокаталитические свойства композитов благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам. Наконец, была дана оценка возможности применения различных графена и его композиционных материалов для очистки воды, а также рассмотрены перспективы их применения в очистке воды.

Вступление

Графен (GE) представляет собой периодический сотовый двумерный углеродистый новый материал, образованный гексагональным расположением sp2-гибридизованных атомов углерода. В 2004 году Гейм и Новоселов из факультета физики и астрономии Манчестерского университета в Соединенном Королевстве впервые получили графен путем снятия ленты с кристаллов графита и, таким образом, получили Нобелевскую премию по физике 2010 года. Графен обладает уникальными физическими и химическими свойствами и является одним из самых прочных материалов в мире. Он имеет теоретическую удельную поверхность до 2630 м ² / г, хорошая теплопроводность и высокоскоростная подвижность электронов (200 000 см ² / (В · с)). Его можно использовать в качестве электродного материала, сенсоров и материалов для хранения водорода. В то же время широко доступен графит, используемый для получения графена и его композиционных материалов. Графен и его композиционные материалы дешевле углеродных нанотрубок, а процесс получения прост. Многие ученые начали изучать графен и его композиционные материалы при очистке воды.

Применение графена и его композиционных материалов в водоподготовке

Графен (GE) представляет собой периодический сотовый двумерный углеродный материал, образованный гексагональным расположением sp2-гибридизированных атомов углерода. Он имеет большую удельную поверхность, высокую подвижность электронов и высокую химическую стабильность. Эта статья посвящена прогрессу исследований графена и его композиционных материалов в адсорбентах и фотокатализаторах для очистки воды в последние годы. Графен и его композиты обладают хорошим адсорбционным эффектом на металлы, органические загрязнители и другие загрязнители, а также обладают высокой адсорбционной способностью. После объединения с фотокаталитическими материалами графен эффективно улучшает фотокаталитические свойства композитов благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам. . Наконец, была дана оценка возможности применения различных графена и его композиционных материалов в очистке воды, а также рассмотрены перспективы их применения в очистке воды.

Приготовление и свойства графена

В последние годы был достигнут положительный прогресс в получении графена. Процесс приготовления графена обычно представляет собой графит-оксид графита-оксид графена-графен. Процесс приготовления показан на рис. 2. Обычные углеродные материалы на основе графена включают графен, оксид графена и восстановленный оксид графена. Способы получения графена в основном включают микромеханическое расщепление, химическое осаждение из паровой фазы, эпитаксиальный рост, коллоидную суспензию и тому подобное. Графен, используемый для очистки воды, в основном получают химическими методами с учетом метода приготовления, стоимости и масштаба приготовления, и наиболее широко используется окислительно-восстановительный метод. Оксид графена (GO) обычно получают химическим окислением и ультразвуковой подготовкой графита. Благодаря широкому диапазону источников графита и низкой цене оксид графена легко производить в массовом порядке. В то же время оксид графена имеет большое количество кислородсодержащих групп, таких как гидроксильная группа, карбоксильная группа и эпоксидная группа. Это гидрофильное вещество, хорошо сочетающееся со многими растворителями и очень подходящее для применения при очистке воды.

К широко используемым в настоящее время методам окисления графита относятся метод Броди, метод Станденмайера и метод Хаммерса. Основной принцип состоит в том, чтобы сначала обработать графит сильной кислотой, образовать соединение с интеркаляцией графита, а затем добавить сильный окислитель для его окисления. Чаще всего используется метод Хаммерса с использованием концентрированных H2SO4, NaNO3 и KMnO4 в качестве окислителей. Этот метод сокращает время подготовки и повышает коэффициент безопасности. Этот метод часто используется при очистке воды. Оксид графена может быть восстановлен до графена химическим методом (с использованием восстанавливающего агента, такого как гидразингидрат, диметилгидразин, боргидрид натрия и т.д.), методом термической очистки, методом ультрафиолетового излучения, микроволновым методом и т.п. Восстановленная оксигенированная группа на поверхности оксида графена восстанавливается, чтобы получить восстановленный оксид графена (RGO), который увеличивает поверхностный потенциал. По сравнению с оксидом графена адсорбционная способность анионных загрязнителей в воде увеличена.

Резюме и перспективы

Плохая диспергируемость графена ограничена при применении в водном растворе, а поверхность оксида графена содержит кислородсодержащие группы, такие как гидроксильная группа, карбоксильная группа и эпоксидная группа, которая имеет хорошую гидрофильность и высокий отрицательный заряд поверхности и подходит для очистка сточных вод от ионов металлов и положительно заряженных красителей дает хороший эффект. Кислородсодержащая группа на поверхности восстановленного оксида графена частично восстанавливается, что увеличивает поверхностный потенциал материала и может обрабатывать отрицательно заряженные сточные воды органических красителей и некоторые анионные загрязнители на поверхности. Графен и его композитные материалы могут играть эффективную роль в фотокаталитических характеристиках, в основном благодаря следующим трем аспектам. Во-первых, большая удельная поверхность и повышенная адсорбционная способность композитного материала. Во-вторых, более высокая способность к переносу электронов может использоваться в качестве акцептора электронов, задерживая рекомбинацию электронно-дырочных пар и повышая фотокаталитическую активность композита. Самое главное, что графен расширяет спектральный отклик композита в видимую область, уменьшая запрещенную зону фотокаталитического материала.

Согласно текущим исследованиям, основным прорывом в применении графена для очистки воды является перекрестное исследование материалов, химии и управления окружающей средой. Исследования новых графеновых композитных материалов в основном основаны на характеристиках самих материалов для удаления загрязняющих веществ и на сочетании с углеродными материалами на основе графена для повышения способности материалов к адсорбции, переносу электронов и восстановлению. Механизм удаления примесей графеном и его композитными материалами до сих пор неясен. По механизму, композитные материалы на основе графена исследуются для удаления тяжелых металлов, неорганических веществ и органических загрязнителей в воде, особенно для удаления новых тугоплавких загрязнителей из космоса. Кроме того, необходимо улучшить стабильность графена и его композиционных материалов. Получение стабильных графеновых композиционных материалов по объему также является сложной задачей, поскольку графен широко используется при очистке воды. Легкое разделение и экологически чистые магнитные графеновые композиты имеют широкие перспективы для использования при очистке воды, но требуется время, чтобы графеновые композиты нашли широкое применение в проектах по очистке воды.

Страница содержит содержимое машинного перевода.