グラフェンとその複合材料を水処理に適用する方法

グラフェン（GE）は、sp2混成炭素原子の六角形配列によって形成された周期的なハニカム2次元炭素質材料です。比表面積が大きく、電子移動度が高く、化学的安定性に優れています。この論文は、近年の水処理吸着剤と光触媒におけるグラフェンとその複合材料の研究の進歩に焦点を当てています。グラフェンとその複合材料は、重金属、有機汚染物質、その他の汚染物質に対して優れた吸着効果を示し、高い吸着能力を備えています。グラフェンは、光触媒材料と組み合わせた後、その独特の物理的および化学的特性により、複合材料の光触媒特性を効果的に高めます。最後に、さまざまなグラフェンとその複合材料の水処理への応用を評価し、水処理への応用の見通しを示しました。

前書き

グラフェン（GE）は、sp2混成炭素原子の六角形配列によって形成された周期的なハニカム2次元炭素質の新材料です。 2004年、英国のマンチェスター大学の物理天文学部のGeimとNovoselovは、グラファイト結晶をテープで剥がして初めてグラフェンを取得し、2010年のノーベル物理学賞を受賞しました。グラフェンは独特の物理的および化学的特性を持ち、世界で最も堅牢な材料の1つです。これは、2630メートル²/ gであり、良好な熱伝導性と高速電子移動度（20万センチメートル²/（V・S））までの理論比表面積を有します。電極材料、センサー、水素貯蔵材料として使用できます。同時に、グラフェンとその複合材料の調製に使用されるグラファイトは広く入手可能です。グラフェンとその複合材料はカーボンナノチューブよりも安価であり、調製プロセスは簡単です。多くの学者が、水処理の応用におけるグラフェンとその複合材料の研究を始めています。

水処理におけるグラフェンとその複合材料の応用

グラフェン（GE）は、sp2混成炭素原子の六角形配列によって形成された周期的なハニカム2次元炭素質材料です。比表面積が大きく、電子移動度が高く、化学的安定性に優れています。この論文は、近年の水処理吸着剤と光触媒におけるグラフェンとその複合材料の研究の進歩に焦点を当てています。グラフェンとその複合材料は、金属、有機汚染物質、その他の汚染物質に対して優れた吸着効果を示し、高い吸着能力を備えています。グラフェンは、光触媒材料と組み合わせた後、その独特の物理的および化学的特性により、複合材料の光触媒特性を効果的に高めます。 。最後に、さまざまなグラフェンとその複合材料の水処理への応用を評価し、水処理への応用の見通しを示しました。

グラフェンの調製と特性

近年、グラフェンの調製は前向きな進歩を遂げています。グラフェンの調製プロセスは、通常、グラファイト-酸化グラファイト-酸化グラフェン-グラフェンです。調製プロセスを図2に示します。一般的なグラフェンベースの炭素材料には、グラフェン、酸化グラフェン、および還元型酸化グラフェンが含まれます。グラフェンの調製方法には、主に、マイクロメカニカル劈開、化学蒸着、エピタキシャル成長、コロイド懸濁液などが含まれます。水処理に使用されるグラフェンは、主に調製方法、調製コスト、規模を考慮した化学的方法で調製され、レドックス法が最も広く使用されています。酸化グラフェン（GO）は通常、化学酸化とグラファイトの超音波処理によって得られます。幅広いグラファイト源と低価格により、酸化グラフェンは大量生産が容易です。同時に、酸化グラフェンには、ヒドロキシル基、カルボキシル基、エポキシ基などの酸素含有基が多数あります。親水性物質であり、多くの溶剤との相溶性が良く、水処理への応用に非常に適しています。

現在報告されている一般的に使用されている黒鉛酸化法には、ブロディ法、スタンデンマイヤー法、ハマーズ法などがあります。基本的な原理は、最初にグラファイトを強酸で処理し、グラファイトインターカレーション化合物を形成し、次に強力な酸化剤を加えて酸化することです。酸化剤として濃H2SO4、NaNO3、およびKMnO4を使用するHummers法が最も一般的に使用されます。この方法は、準備時間を短縮し、安全率を向上させます。この方法は、水処理アプリケーションでよく使用されます。酸化グラフェンは、化学的方法（ヒドラジン水和物、ジメチルヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウムなどの還元剤を使用）、熱ストリッピング法、紫外線放射法、マイクロ波法などによってグラフェンに還元することができる。酸化グラフェンの表面の還元された酸素化基が還元されて還元された酸化グラフェン（RGO）が得られ、これにより表面電位が上昇します。酸化グラフェンと比較して、水中のアニオン性汚染物質の吸着能力が向上しています。

まとめと展望

グラフェンの分散性の悪さは水溶液への適用に限定され、酸化グラフェンの表面には、親水性が高く、表面の負電荷が高い、ヒドロキシル基、カルボキシル基、エポキシ基などの酸素含有基が含まれています。金属イオンと正に帯電した染料廃水を処理することは良い効果があります。還元された酸化グラフェンの表面の酸素含有基は部分的に還元され、材料の表面電位を高め、表面の負に帯電した有機染料廃水といくつかの陰イオン汚染物質を処理することができます。グラフェンとその複合材料は、主に次の3つの側面により、光触媒性能に効果的な役割を果たすことができます。第一に、比表面積が大きく、複合材料の吸着能力が向上します。第二に、より高い電子輸送能力を電子受容体として使用して、電子正孔対の再結合を遅らせ、複合材料の光触媒活性を高めることができます。最も重要なことは、グラフェンが複合材料のスペクトル応答を可視領域に拡張し、光触媒材料のバンドギャップを減らすことです。

現在の研究から、水処理におけるグラフェンの適用における主なブレークスルーは、材料、化学、および環境管理の横断的研究です。新規グラフェン複合材料の研究は、主に材料自体の特性に基づいて汚染物質を除去し、グラフェンベースの炭素材料と組み合わせて、材料の吸着、電子移動、および還元の能力を強化します。グラフェンとその複合材料による汚染物質の除去のメカニズムはまだ不明です。このメカニズムから、水中の重金属、無機物質、有機汚染物質の除去、特に新しい耐火性汚染物質の除去のために、グラフェンベースの複合材料が検討されています。さらに、グラフェンとその複合材料の安定性を改善する必要があります。安定したグラフェン複合材料の体積による調製も、グラフェンが水処理で広く使用されているという難しい問題です。分離が容易で環境にやさしい磁性グラフェン複合材料は、水処理での使用に幅広い展望がありますが、グラフェン複合材料が水処理プロジェクトに広く適用されるまでには時間がかかります。

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