基于石墨烯的復合材料，正在成為“納米海綿”以處理廢水

觀察未來科技 2022-08-06 發(fā)布于陜西

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文/觀察未來科技

隨著人口不斷的增長、工業(yè)廢水的亂排亂放、城市生活垃圾、農(nóng)藥噴灑等等，造成水污染情況不斷加劇，治理污水已經(jīng)迫在眉睫。常見的污水處理方法有物理法、化學法和生物法，其中物理吸附以其節(jié)能和綠色的特點成為污水處理中最方便和環(huán)保的方法。而在物理吸附方法中，石墨烯又扮演著重要的作用。

當前，石墨烯已經(jīng)逐漸被人們熟知。簡單來說，石墨烯就是由單層碳原子經(jīng)電子軌道雜化后形成的蜂巢狀二維晶體，厚度僅為0.355nm。就是如此“單薄”的石墨烯，卻具有優(yōu)異的力學性能、電子效應、熱傳導性能、光學性能、生物化學性能、氧化還原性能等。

并且，科學家們發(fā)現(xiàn)，利用石墨烯的吸附性，能非常有效地處理掉廢水的有害污染物。不過一直以來，石墨烯在水處理領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展都還處于學步階段。科學家們?nèi)匀辉趯κ┻M行更加深入的研究。

現(xiàn)在，維也納大學的工程師們表示，他們開發(fā)了一種新的復合材料，可以有效地過濾掉水中的有機污染物。該系統(tǒng)使用嵌入石墨烯片上的超多孔“納米海綿”。新過濾器的關(guān)鍵是一類叫做共價有機框架（COFs）的材料。

這些結(jié)構(gòu)是非常多孔的，使它們在很小的空間內(nèi)擁有巨大的表面積，這意味著它們能有效地抓住大量的分子。被稱為金屬有機框架（MOFs）的相關(guān)材料正被研究用于碳捕獲、海水淡化或從稀薄的空氣中提取飲用水，而COFs可能具有一系列類似的功能。

在這項新的研究中，研究人員專注于使用COFs來去除水中的有機染料。這些化學品是工業(yè)廢水的常見污染物，可能具有毒性和致癌性，更是難以去除。因此，研究人員們調(diào)整了COFs，使其有選擇地抓住有機染料分子。當前，前提是，孔的形狀和大小合適——在0.8和1.6納米之間，并使其表面帶負電，以吸引帶正電的染料分子。

其中，還需要面臨一個障礙，就是當這種材料以粉狀形式使用時，外緣的孔隙首先被分子填滿，而中間的孔隙則是空的，基本上沒有用處。因此，該團隊開發(fā)了一種方法，通過在石墨烯薄片上種植COFs來分散它。

最終，研究人員在石墨烯的單原子層上形成了兩納米厚的COFs層，這增加了該材料容納有機染料分子的最大容量。石墨烯本身具有相當大的孔隙，允許水快速流過，同時COFs發(fā)揮其作用。并且，研究人員表示，這項技術(shù)應該也是相當便宜的。不需要使用太多的石墨烯，而且COFs可以被清理出來并重新使用。

顯然，僅有原子層厚的單層晶片的二維納米材料的石墨烯，對于社會生產(chǎn)和生活來說無疑是重要的。未來，關(guān)于石墨烯的應用還將發(fā)生在人類生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域，廢水處理只是其中之一。