综述：氧化石墨烯/活性炭复合材料的合成、表征及其在水环境中新兴污染物吸附应用的研究进展：综述

《Inorganic Chemistry Communications》：Synthesis, characterization, and adsorption applications of graphene oxide/activated carbon composites for emerging contaminants in water: A comprehensive review

高效吸附材料石墨烯氧化物/活性炭复合体系结构调控与新兴污染物去除机制研究，重点解析其合成工艺、表征方法、吸附动力学及再生策略，探讨π-π相互作用与表面官能团协同作用机制，为水处理技术优化提供理论依据。

　　在当前日益严峻的环境污染问题背景下，水体污染已成为全球关注的重点。随着工业化进程的加快，大量有毒有害的物质被排放到水环境中，对生态系统和人类健康构成了严重威胁。特别是在废水处理领域，新兴污染物的出现给传统治理技术带来了新的挑战。这些污染物包括有机染料、药品残留、农药、重金属离子等，它们具有较强的毒性和持久性，难以通过常规的污水处理方法有效去除。因此，开发高效、环保的吸附材料显得尤为重要。

近年来，石墨烯氧化物（GO）与活性炭（AC）复合材料因其独特的物理化学性质，逐渐成为吸附污染物的热门研究方向。GO是一种通过氧化石墨烯制备的二维碳材料，其表面富含多种含氧官能团，如羟基、环氧基、羧基、羰基等，这些官能团不仅增强了材料的亲水性，还为其与污染物之间的相互作用提供了丰富的位点。然而，GO在实际应用中仍面临一些问题，如团聚现象、层间堆叠以及吸附后材料的再利用性较差。为了解决这些问题，研究者们将GO与AC结合，形成GO/AC复合材料。这种复合材料不仅保留了GO的高比表面积和丰富的表面官能团，还继承了AC的高吸附能力，使其在污染物去除方面展现出更优的性能。

AC是一种广泛应用的吸附材料，其特性包括高孔隙率、大比表面积和优异的吸附能力。AC的制备通常依赖于物理活化或化学活化等方法，这些方法能够调控材料的孔结构和表面性质，从而提高其吸附效率。传统AC原料如木材、天然煤和石油废弃物虽然性能良好，但成本较高且不可再生。因此，近年来研究者们开始利用工业、市政和农业废弃物作为AC的原料，这不仅降低了成本，还符合可持续发展的理念。例如，利用咖啡果壳、茶渣、坚果壳等生物质材料制备的AC，已被广泛应用于去除有机染料、药品残留和重金属离子等污染物。

GO/AC复合材料的合成方法多种多样，常见的包括物理混合、水热法、共沉淀法和化学活化法等。物理混合法是一种简单且高效的方法，通过将GO与AC均匀混合，可以形成具有协同效应的复合材料。这种方法无需使用粘合剂或偶联剂，从而避免了额外的化学处理步骤。然而，物理混合法在控制材料结构和性能方面存在一定的局限性。相比之下，水热法和共沉淀法则能够更精确地调控复合材料的微观结构，使其具备更高的孔隙率和更大的比表面积。化学活化法通过引入特定的化学试剂，能够进一步优化材料的表面化学性质，提高其对污染物的吸附能力。

在对GO/AC复合材料的表征方面，研究者们采用了一系列先进的分析技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、Brunauer–Emmett–Teller（BET）比表面积分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱等。这些技术能够全面揭示复合材料的结构特征、表面化学组成和物理性质，为后续的吸附性能评估提供了重要的理论依据。例如，SEM和TEM图像可以显示复合材料的微观形貌和孔隙结构，而XPS和FTIR则能够分析材料表面的化学键合情况和官能团分布。BET比表面积分析可以定量评估材料的吸附能力，而拉曼光谱则有助于理解材料的碳结构和缺陷分布。

在吸附性能方面，GO/AC复合材料展现出显著的优势。其高比表面积和丰富的表面官能团使其能够与多种污染物发生有效的相互作用。例如，在去除有机染料方面，GO/AC复合材料能够通过π-π相互作用、氢键和静电作用等多种机制，实现对污染物的高效吸附。研究表明，GO/AC复合材料在去除甲基蓝（MB）等有机染料时，表现出比单独使用GO或AC更高的吸附容量。此外，GO/AC复合材料在去除重金属离子如铅、镉和汞方面也显示出良好的效果，其吸附能力通常高于单一的AC材料。这是因为GO的含氧官能团能够与重金属离子形成稳定的络合物，从而提高其吸附效率。

在吸附机制的研究中，研究者们发现GO/AC复合材料的吸附过程受到多种因素的影响，包括吸附剂的用量、初始污染物浓度、溶液pH值、接触时间和温度等。其中，pH值是一个关键参数，因为它不仅影响吸附剂表面的电荷状态，还决定了污染物在溶液中的存在形式。例如，当pH值较低时，吸附剂表面的负电荷减少，从而增强了其对正电荷污染物的吸附能力。此外，吸附剂的用量和初始污染物浓度也对吸附效果产生重要影响。通常，随着吸附剂用量的增加，吸附容量会提高，但吸附效率可能会下降。同样，初始污染物浓度越高，吸附容量也越大，但吸附效率会随着浓度的增加而降低。

在吸附动力学和等温模型的研究中，研究者们发现GO/AC复合材料的吸附过程通常遵循准二级动力学模型，这表明吸附过程主要受到化学反应速率的控制。同时，吸附等温线的分析表明，GO/AC复合材料的吸附行为符合Langmuir或Freundlich模型，这表明其表面可能存在均质或非均质的吸附位点。此外，吸附过程的热力学参数如吉布斯自由能变化（ΔG）、焓变（ΔH）和熵变（ΔS）也提供了关于吸附机制的进一步信息。例如，ΔG的负值表明吸附过程是自发进行的，而ΔH的负值则表明吸附过程是放热的，这可能与吸附剂表面的化学键合有关。

在吸附材料的再生和再利用方面，研究者们提出了多种策略，以提高GO/AC复合材料的经济性和可持续性。常见的再生方法包括热处理、酸洗、碱洗和溶剂萃取等。其中，热处理是一种简单且有效的再生方法，通过加热可以去除吸附在材料表面的污染物，使其恢复吸附能力。酸洗和碱洗则能够通过改变溶液的pH值，促使污染物从吸附剂表面解吸。溶剂萃取则适用于某些特定的污染物，如有机染料和药品残留。此外，研究者们还发现，通过调控GO的还原程度，可以进一步提高复合材料的再生性能。例如，部分还原的GO（RGO）在再生过程中表现出更高的稳定性和更低的能耗，这使得其在实际应用中更具优势。

在实际应用方面，GO/AC复合材料已被广泛应用于废水处理、气体吸附、催化反应和能量存储等领域。在废水处理中，GO/AC复合材料能够有效去除多种有机和无机污染物，包括染料、药品残留、重金属离子等。其高比表面积和丰富的表面官能团使其能够与污染物发生多种类型的相互作用，从而提高去除效率。此外，GO/AC复合材料在气体吸附方面也展现出良好的性能，能够吸附多种气体分子，如CO?、H?S和VOCs等。在催化反应中，GO/AC复合材料因其良好的导电性和化学稳定性，被用于促进多种化学反应，如氧化还原反应和电催化反应。而在能量存储领域，GO/AC复合材料因其高比电容和优异的导电性，被用于超级电容器和锂离子电池等新型储能设备。

为了进一步提高GO/AC复合材料的吸附性能，研究者们提出了多种增强策略。例如，通过调控GO的氧化程度和AC的孔隙结构，可以优化复合材料的表面化学性质和物理结构，从而提高其对污染物的吸附能力。此外，通过引入金属氧化物或导电填料，可以增强复合材料的导电性和稳定性，使其在电化学吸附和催化反应中表现出更好的性能。同时，对GO/AC复合材料进行表面功能化处理，如引入特定的官能团或纳米颗粒，也可以进一步提高其对特定污染物的吸附选择性和效率。

未来的研究方向应着重于以下几个方面：首先，应进一步拓展GO/AC复合材料的应用范围，探索其在去除更多种类污染物方面的潜力。其次，应结合理论计算方法，深入研究GO/AC复合材料的吸附机制，为优化其性能提供理论支持。此外，应加强对GO/AC复合材料再生和再利用的研究，开发更高效、经济的再生技术，以提高其在实际应用中的可持续性。最后，应推动GO/AC复合材料的工业化生产和应用，使其在实际污水处理和环境治理中发挥更大的作用。

总之，GO/AC复合材料作为一种新型吸附材料，在污染物去除方面展现出巨大的潜力。其独特的物理化学性质使其能够与多种污染物发生有效的相互作用，从而提高去除效率。然而，为了充分发挥其优势，还需要进一步研究其合成方法、表征技术、吸附机制和再生策略。通过不断优化和改进，GO/AC复合材料有望成为未来环境治理领域的重要工具，为实现可持续的水资源保护和污染治理提供有力支持。