综述：rGO/GO混合纳米材料在光催化降解和吸附有害污染物方面性能提升的评估

石墨烯氧化物（GO）与金属氧化物半导体（如TiO?、ZnO、Fe?O?）复合后显著提升对水体中有机污染物（如染料、药物）和重金属的吸附与光催化降解效率。GO的大比表面积和氧官能团增强污染物吸附，同时促进光生电荷分离，提高光催化活性，适用于UV及可见光条件。材料稳定性与可重复使用性良好，但规模化生产和实际应用中的稳定性及效率优化仍需深入研究。

　　

Iffat Riaz|Ahmad Farhan|Muhammad Azam Qamar|Jaweria Lateef|Aqsa Riaz|Lizhen Gao

山西大学化学与化学工程学院，中国太原030006

摘要

本文综述了基于氧化石墨烯（GO）的纳米复合材料在水溶液中吸附和光催化降解有害污染物（包括染料、药物和重金属）方面的优异性能。将GO与金属氧化物半导体（如TiO₂、ZnO和Fe₃O₄）结合使用，显著提高了光催化活性和吸附能力。GO具有较大的表面积、丰富的含氧官能团以及较高的吸附亲和力，能够有效捕获污染物；同时其改善载流子分离的作用增强了在紫外光和可见光下的光催化降解效果。GO与半导体（如TiO₂/GO和ZnO/GO）之间的协同作用，使得对甲基蓝、酚类和双酚A等多种有机污染物的降解效率大幅提升。此外，这些纳米复合材料的吸附性能还通过π-π相互作用、静电吸引力和氢键等强相互作用实现了有害物质的去除。研究还展示了这些材料的高重复使用性和稳定性，尤其是在水处理应用中。尽管取得了有希望的结果，但电子-空穴复合、实际条件下的材料稳定性以及工业应用的可扩展性仍是未来研究的关键领域。

引言

工业和农业活动造成的环境污染加剧了人们对水质退化的担忧。其中最紧迫的问题是废水受到有毒染料、药物等污染物的污染，这些污染物对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统的废水处理方法（包括物理、化学和生物过程）往往因成本高昂、效率低下以及无法有效分解持久性污染物而效果不佳[1]。这凸显了需要更高效、经济且可持续的废水处理方案[2]。

近年来，光催化作为一种有前景的解决方案应运而生。氧化锌、其他半导体和二氧化钛等光催化剂因其在光照下的有机污染物降解能力而受到广泛研究。然而，这些材料存在电荷复合速度快、表面积小和稳定性差等局限性，从而限制了其整体光催化效率。为克服这些问题，人们开始探索将基于石墨烯的材料（特别是还原氧化石墨烯和氧化石墨烯）引入其中[2],[3]。

氧化石墨烯富含含氧官能团，具有较大的表面积和较高的吸附能力，使其成为光催化应用中的多功能材料。通过化学还原获得的还原氧化石墨烯具有更好的导电性和载流子分离效率，是提升多种半导体材料光催化性能的理想选择。将GO或rGO与其他光催化材料结合，开发出了具有显著改进催化性能的混合纳米复合材料[4]。

近期研究集中于基于rGO/GO的混合纳米材料在光催化降解染料、药物和其他有机污染物方面的合成与评估。由于rGO/GO与半导体材料之间的协同效应，这些复合材料通常表现出更强的光催化活性，从而实现了更好的载流子分离和更长的光吸收时间。例如，研究表明，ZnO/rGO、TiO₂/rGO和BiVO₄/rGO等纳米复合材料在紫外光和可见光条件下均表现出更高的光催化降解效率，成为环境修复的有力候选者[5],[6]。

rGO与其他半导体材料的结合不仅提升了光催化性能，还增强了材料的稳定性和重复使用性。此外，这些复合材料还表现出优异的抗菌性能，进一步拓宽了其在废水处理中的应用潜力。然而，在这些混合纳米材料的规模化合成及其在实际条件下的效率提升方面仍存在挑战[7],[8]。

光催化降解有机分子的过程需要在光照下进行，光催化剂能够吸收能量等于或高于其带隙的光子。这些能量使电子从价带激发到导带并产生空穴。空穴随后与表面羟基相互作用或氧化水分子生成^•OH自由基[9]；电子则与溶解氧反应生成超氧阴离子(^•O₂^?)等活性氧物种。这些高活性物种通过破坏有机污染物中的化学键发挥关键作用，最终将其转化为CO₂和H₂O等较无害的产物[9]。对于重金属离子，光催化过程主要利用光生电子驱动还原反应，将有害的Cr (VI)离子转化为毒性较低或更稳定的Cr (III)离子。同时，催化剂表面的吸附作用进一步促进了这些离子从水相中的去除。吸附和光催化共同作用，通过抑制电荷复合和促进污染物与活性位点的有效相互作用来提高去除效率[10]。

此外，吸附是光催化的重要环节，因为它显著增强了材料捕获和降解污染物的能力。吸附研究表明，基于rGO的复合材料由于具有丰富的官能团和较大的表面积，表现出优异的吸附性能。通过优化材料表面性质和形态，可以进一步提高其实际废水处理效果[11],[12]。

结构

根据研究，碳的基态电子结构为1s² 2s² 2p²，在周期表中位列第六位。为简化表示，2p_x和2p_y能级相同，而2p_z能级为空。碳原子核周围有六个电子，其中四个为价电子（见图1 a和b）。碳的价电子可以通过sp、sp²或sp³三种方式杂化（见图1 c）。

石墨烯的性质概述

制备石墨烯的第一步是氧化石墨或另一种形式的石墨烯——氧化石墨烯（GO），后者可以是单层或多层结构。这两种结构的基面上都分布着羟基(-OH)和环氧基(-C-O-C-)等官能团，而羰基(-COH)和羧基(-COOH)则位于边缘（见图2）。在高阿夫等人研究中，发现了含有五个或六个碳原子的内酯结构。

有机污染物的吸附

本文部分内容介绍了基于石墨烯的吸附剂对酚类化合物、染料和其他有机杂质的吸附作用。

基于石墨烯的光催化剂

由于其独特的二维结构、物理、化学和机械性能，化学改性的石墨烯、氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）成为半导体材料分散的理想载体。官能团使得半导体材料能够在石墨烯的晶格缺陷处成核并被捕获，从而调控其尺寸、形状和结晶性。

结论

氧化石墨烯（GO）与各种光催化和吸附材料的结合为水环境中有机污染物的处理提供了有前景的解决方案。GO凭借其较大的表面积、丰富的含氧官能团以及出色的载流子分离能力，在提升光催化和吸附过程性能方面发挥着关键作用。正如本文所讨论的，基于GO的纳米复合材料在与金属结合使用时

未来展望

未来的研究应致力于探索更高效、经济且可扩展的GO基复合材料合成方法。此外，优化GO与不同半导体材料之间的相互作用、提高在竞争离子存在下的光催化活性，以及提升这些纳米复合材料的可回收性和稳定性，是实现其在环境修复中实际应用的关键步骤。

作者贡献声明

Iffat Riaz：方法论设计、概念构建。Ahmad Farhan：初稿撰写。Muhammad Azam Qamar：审稿与编辑、验证。Jaweria Lateef：审稿与编辑。Aqsa Riaz：审稿与编辑、验证。Lizhen Gao：指导。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

Iffat Riaz目前是山西大学的博士生，她毕业于费萨拉巴德农业大学，研究方向包括无机化学、材料化学、电化学传感器和电池等储能技术。她的研究重点在于设计和开发用于可持续能源转换和环境应用的功能性材料。