综述：基于石墨烯（Graphene）、氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）的光催化剂在有机污染物降解中的应用：综述

《Environmental Technology & Innovation》：Graphene-, GO-, and rGO-supported photocatalysts for degradation of organic pollutants: A comprehensive review

针对全球水污染问题，本文系统综述了基于石墨烯及其衍生物的光催化技术降解有机污染物的机制、材料合成及性能优化，重点分析了染料、酚类、药品和农药等污染物的降解效率及影响因素，提出了未来研究方向，强调需解决规模化生产、稳定性及太阳能利用等挑战。

　　在当前全球范围内，水资源短缺和污染问题已成为影响生态系统和人类健康的严重挑战。随着工业化和城市化的快速发展，有机污染物如染料、酚类化合物、药品和农药正以不断增长的速度进入水体，给环境和健康带来潜在威胁。为了应对这一问题，科学家们正在积极探索高效的水处理技术，其中光催化技术因其可持续性和显著的降解能力而受到广泛关注。然而，传统金属-半导体光催化剂在实际应用中存在一些固有局限，例如可见光吸收能力有限、表面反应动力学缓慢以及电子-空穴对的快速复合。这些问题限制了其在大规模水处理中的适用性。为了解决这些挑战，研究人员开始将石墨烯及其衍生物（如氧化石墨烯和还原氧化石墨烯）引入光催化体系。石墨烯具有高比表面积、卓越的电子迁移率和可调节的化学功能，使其成为理想的共催化剂载体。不同于以往广泛概括石墨烯基光催化剂的综述，本文采用了针对不同污染物的比较分析框架，系统评估了石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯基复合材料在降解四类主要污染物（染料、酚类化合物、药品和农药）中的性能。同时，特别关注了操作参数（如pH值、氧化剂、光波长、催化剂用量和污染物浓度）对降解效果的影响。通过案例研究，本文深入探讨了机制性见解、可回收性和效率趋势，突出了不同污染物类别之间的协同效应与局限性。本文不仅强调了关键进展，还识别了现有知识的空白，为设计新一代石墨烯基光催化剂提供了宝贵的视角。

水资源是地球上的宝贵资源，对于所有生命形式至关重要。地球上约3%的水是淡水，而其余97%为咸水。淡水主要储存在地下水和地表水体（如河流、湖泊和池塘）中，但仅2.5%的淡水适合人类直接饮用，其余大部分被污染或难以获取。这种水资源的稀缺性在发展中国家尤为突出，3.2百万儿童每年因缺乏安全的饮用水和卫生条件而死亡。随着人口增长、城市扩张和农业、工业活动的增加，自然水体的污染问题日益严重，大量污染物被排放到环境中，影响了水体的质量和可用性。水体中的有机污染物不仅危害生态系统，还对人类健康构成威胁，例如导致肝肾损伤、心功能障碍、致畸、致癌和基因突变等。因此，开发高效、可持续的水处理技术显得尤为迫切。

光催化降解有机污染物是一种有前景的策略，其优势在于相对较低的运行成本、较少产生有毒副产物、优异的降解性能以及能够将持久性有机污染物矿化为无害产物（如CO?、H?O和无机离子）。然而，传统金属-半导体光催化剂存在诸多限制，如快速的电子-空穴复合、对可见光响应不足以及与污染物接触效率低下。为改善这些问题，近年来研究人员尝试将石墨烯及其衍生物与金属氧化物结合，形成高效光催化剂。石墨烯因其独特的性质（如高电子迁移率、大比表面积和化学稳定性）在增强半导体性能方面展现出巨大潜力。本文通过对比不同类型的污染物降解过程，系统地评估了石墨烯基材料在水处理中的应用潜力，同时探讨了其在实际应用中的优势与局限性。

在水污染源方面，包括农业、工业、城市和家庭排放的有机污染物，对水体造成了广泛影响。农业活动中，过量使用农药和化肥是主要的污染源之一，未使用的农药和肥料随雨水流入湖泊和河流，对水生生态系统造成破坏。工业排放的污染物包括重金属、营养物质、盐类和溶剂等，而家庭和城市活动则主要导致有机污染物和生物污染物的排放。这些污染物不仅改变了水体的物理化学性质，还对水体的pH值、电导率和溶解氧水平产生影响，进而威胁水生生物的生存。因此，发展高效的水处理技术是解决当前水污染问题的关键。

石墨烯及其衍生物在水处理中的应用得益于其独特的结构和化学性质。石墨烯是一种单层碳结构，具有极高的比表面积（约2630 m2/g）和优异的电子传输性能。氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）则因其表面丰富的官能团（如羟基、羧基和羰基）而表现出良好的吸附性能和可调节的化学功能。这些特性使得石墨烯基材料在光催化降解有机污染物方面具有独特优势。然而，石墨烯本身由于缺乏天然带隙，其光催化性能受到限制。因此，通过与其他半导体材料或金属纳米颗粒的结合，可以显著提升其性能。例如，TiO?、ZnO、CdS等金属氧化物与石墨烯的复合材料在光催化降解染料、农药和药物方面表现出卓越的效率。此外，石墨烯基材料还能够通过形成异质结，促进电子-空穴对的分离，从而提高光催化活性。

在实际应用中，石墨烯基光催化剂展现出良好的降解性能。例如，GO-ZnO/Mn?O?复合材料在太阳能照射下对甲基橙（MO）和孔雀绿（MG）染料的降解效率分别达到99.2%和98.75%。这种材料不仅具有较高的比表面积，还具备较低的带隙能量，使其能够有效吸收可见光，并促进电子转移。此外，一些研究显示，石墨烯基材料在降解药物和农药方面同样表现出色。例如，g-C?N?/rGO/WO?复合材料在可见光下对环丙沙星（CIP）的降解效率达到80%，而α-Fe?O?/rGO复合材料对磺胺甲噁唑的降解效率高达99.9%。这些研究表明，石墨烯基材料在不同污染物的降解中具有广泛的应用前景。

然而，尽管石墨烯基光催化剂在实验室条件下表现出优异的性能，其在实际应用中仍面临一些挑战。首先，石墨烯的制备成本较高，且某些传统方法（如化学氧化还原法）可能导致材料缺陷和环境问题。因此，开发绿色、低成本的合成方法是未来研究的重点。其次，石墨烯基材料的光催化性能受到多种因素的影响，包括光照强度、pH值、催化剂用量和污染物浓度等。这些参数的优化对于提高降解效率至关重要。此外，虽然许多石墨烯基复合材料具有良好的可回收性，但在长期使用中仍需关注其稳定性问题。最后，石墨烯基材料的规模化生产仍然是一个技术难题，需要进一步研究以实现其在实际水处理中的广泛应用。

综上所述，石墨烯及其衍生物在光催化降解有机污染物方面展现出巨大的潜力。通过与其他半导体材料的结合，可以显著提升其光催化性能，同时减少电子-空穴对的复合，提高光利用率。然而，为了推动其在实际水处理中的应用，还需要解决成本、可回收性和规模化生产等问题。未来的研究应更加关注石墨烯基材料的可持续合成方法、性能优化以及在复杂水体中的应用效果。通过跨学科合作，整合化学、材料科学和工程领域的知识，有望开发出更加高效、环保的石墨烯基光催化剂，为解决水污染问题提供新的思路和技术支持。