Page 12 - 《精细化工》2022年第3期

·434· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

石油及其相关行业的飞速发展产生的大量含油
废水导致了生态系统的破坏和水资源的浪费，已成
为近年来亟待解决的环境问题 [1-3] 。在“Web of
Science”网站以“oil pollution”为关键词进行搜索，
发现有关油品污染的年文章数从 2010 年的 3800 余
篇增长到 2020 年的 74000 余篇。为尽可能减小石油
及其衍生物对水体和生态系统产生的负面影响，研
究者已经开发出物理吸附、原位燃烧和生物降解等
方法 [4-8] 。其中，物理吸附因吸附速率快、能耗低、
操作简单等优点被认为是实现油水分离最有效和最
有前景的方法之一。碳材料在处理含油废水等方面

发挥着重要作用，从起初的活性炭到近十几年新兴 图 1 石墨烯基气凝胶的多种应用
的碳纳米管、石墨烯等材料，研究者一直致力于挖 Fig. 1 Various applications of graphene-based aerogels
掘碳材料在油水分离中的潜能 [9-17] 。
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石墨烯是一种由碳原子通过 sp 杂化相互连接 1 石墨烯基气凝胶的结构设计和组装
而成的类蜂窝状的二维碳纳米材料，石墨烯碳原子
之间独特的排列方式赋予了其优异的力学、热学、 1.1 石墨烯基气凝胶的制备方法
电学、光学等性质 [18-20] 。在油品吸附领域，石墨烯 研究表明，石墨烯基气凝胶可以制成各种各样
2
因巨大的比表面积（理论比表面积为 2630 m /g）和 的形状。值得注意的是，石墨烯基气凝胶的形状取
超疏水性应用前景广阔。然而，石墨烯纳米片层之 决于制备过程中盛装其前驱分散液的容器形状或涂
间具有强相互作用，致使石墨烯片层极易团聚，片 附其前驱分散液基底材料的形状。常用于制备石墨
层中的活性位点被隐藏，从而限制了二维石墨烯纳 烯基气凝胶的方法有溶胶-凝胶法、还原组装法（包
米材料的实际应用 [21-22] 。此外，在吸附过程中纳米 括水热还原组装和化学还原组装）、多孔材料物理浸
石墨烯难以回收，可能被释放到环境中，影响被吸 渍法、3D 打印法等。
附污染物的迁移，从而造成潜在的环境风险 [23] 。基 1.1.1 溶胶-凝胶法
于此，研究者将二维片状石墨烯组装为三维块状石 溶胶-凝胶法制备石墨烯基气凝胶通常是先将
墨烯基气凝胶，显著改善了石墨烯片层易团聚以及 氧化石墨烯（GO）分散在特定的溶剂中；接着，在
纳米石墨烯难以回收的问题 [24-28] 。三维石墨烯基气 GO 溶液中添加凝胶因子使体系发生理化反应形成
凝胶不仅可以保留二维石墨烯的强柔韧性、高导电 溶胶；然后，经升温或静置陈化等使溶胶中的粒子
性、高导热性、大比表面积等特点，还具有丰富的 聚合成大的胶束形成凝胶；最后，利用一定的干燥
孔隙结构（孔隙率可达 99%以上）和超低的密度。 方法将湿凝胶干燥得到气凝胶 [29-30] ，制备示意图如
丰富的孔隙结构可为吸附提供足够的传输通道，有 图 2a 所示。NIU 等 [29] 利用溶胶-凝胶法结合超临界
利于促进污染物从液相扩散到吸附材料表面，提高 CO 2 干燥处理制备了孔隙率超过 98%的石墨烯气凝
吸附速率。因此，三维石墨烯基气凝胶较二维石墨 胶（GA），GA 力学性能优异，其弹性模量为 2.9 MPa
烯在油水分离领域更具优势。 且能够支撑超过自身质量 35000 倍的物品。
近年来，将石墨烯组装为石墨烯基气凝胶的设
计方法越来越多样，石墨烯基气凝胶的应用领域也
越来越广泛，如图 1 所示。但目前石墨烯基气凝胶
的制备仍面临许多问题，如：制备周期长、机械强
度差、规模化生产困难等。因此，及时地总结石墨
烯基气凝胶制备的最新进展，并找到可行的方案来
解决这些问题是拓展和深化石墨烯基气凝胶应用的
基础。本文综述了石墨烯基气凝胶的制备过程和干
燥方法的最新进展；随后总结了石墨烯基气凝胶对
水中油类污染物的吸附应用；最后，对石墨烯基气
凝胶在油水分离领域目前面临的挑战和未来的研究
方向进行了展望。