《Coordination Chemistry Reviews》：Synergistic adsorption-transformation-immobilization effects and Electron transfer in graphene-based materials: Functional strategies for efficient chromium and arsenic stabilization
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•对铬和砷修复的六种石墨烯基功能化策略进行了批判性和全面的综述。•建立了整合多种稳定化机制的协同"吸附-转化-固定"框架。•阐明了石墨烯在氧化还原驱动污染物解毒过程中作为电子穿梭体和结构支架的双重作用。•定量分析了pH值、温度、接触时间和共存离子对稳定化性能的影响。•评估了再
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对铬和砷修复的六种石墨烯基功能化策略进行了批判性和全面的综述。
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建立了整合多种稳定化机制的协同"吸附-转化-固定"框架。
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阐明了石墨烯在氧化还原驱动污染物解毒过程中作为电子穿梭体和结构支架的双重作用。
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定量分析了pH值、温度、接触时间和共存离子对稳定化性能的影响。
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评估了再生能力，并为实际应用提出了具有成本效益、环保和智能化的设计路径。
引言
重金属污染是全球面临的最紧迫的环境挑战之一[1]，其污染来源来自多种途径[2]。采矿[3]、冶炼[4]、电镀[5]和化工制造[6]等工业活动，以及施用含重金属的磷肥、农药和废水灌溉[7]等农业实践，共同导致了重金属的积累。土壤[8]和水[9]污染是最严重、最普遍且最难解决的问题[10]。国际癌症研究机构（IARC）将砷（As）和六价铬（Cr(VI)）列为1类致癌物[11]、[12]。它们具有很强的致癌性，使其风险水平尤为突出，往往需要优先关注。长期暴露于砷或铬可能会损害肝脏和肾脏[13]，引发心血管疾病，并增加癌症风险[14]。它们还会抑制植物的光合作用和生长，导致萎蔫和死亡[15]，并破坏土壤微生物群落，从而降低土壤肥力[16]。由于铬和砷在水中的高溶解度和强迁移性，它们很容易被传输、扩散并被生物体吸收[17]。通过食物链中的生物富集和营养级传递，这些污染物最终会对人类健康构成威胁[8]（图1a）。
传统材料如沸石[18]、膨润土[19]和黏土矿物[20]，被归类为无机吸附剂，具有来源广泛和成本低廉的优点[21]。然而，它们存在吸附容量有限、对特定重金属（尤其是阴离子形式的砷和铬酸盐）选择性差、易受共存离子干扰，以及在达到吸附饱和后可能转化为新的污染源等缺陷[22]。近年来备受关注的生物炭[23]也表现出一定的吸附能力，但其性能高度依赖于原材料和热解条件[24]。它对砷等某些重金属的固定化效率令人不满意，并可能释放杂质或破坏土壤有机质的平衡[25]。零价铁（ZVI）在处理六价铬（Cr(VI)）等可还原重金属方面表现出有效性[26]。然而，它容易发生钝化和团聚失活[27]。此外，其反应产物可能会降低渗透性或导致铁离子污染[28]。
石墨烯基材料凭借其独特的物理化学性质，在重金属稳定化方面展现出非凡的潜力[29]、[30]。其巨大的比表面积提供了丰富的吸附位点[31]，而其可功能化的表面和独特的电子结构使得可以接枝特定基团或负载高活性纳米颗粒[32]。其高电导率促进了这些材料之间的电子转移，这在实现重金属价态转化中起着至关重要的作用[33]。石墨烯基材料对目标重金属铬和砷表现出显著增强的吸附能力，具有更快的吸附动力学和更高的选择性，即使在痕量浓度下也能实现高效捕获[34]。此外，通过将磁性纳米颗粒与石墨烯结合，可以在稳定化过程后实现快速高效的分离和回收[35]。这显著降低了由传统粉末状吸附剂难以分离而引起的二次污染风险，并提高了材料的可回收性。这种集成的"吸附-转化-固定-回收"能力使石墨烯基材料在效率、功能、操作性和二次风险降低方面优于大多数传统稳定化材料，从而为铬和砷等氧化还原活性元素的修复提供了更具前景的解决方案。图1b展示了2015年至2025年石墨烯改性材料领域的年度发表量。2015年至2022年为快速增长阶段，年均增长率约为13%，反映了该领域研究兴趣的持续提升和学术关注度的不断增加。2023年至2025年为高波动阶段，表明该领域已进入成熟发展阶段，研究规模保持稳定，核心方向的探索持续推进。图1c展示了2015年至2026年用于重金属去除的代表性石墨烯基功能材料，直观地展示了石墨烯改性材料的研究演变和创新趋势。通过关键材料原型的演进可以观察到石墨烯改性策略的发展，显示出从早期较简单的复合材料向日益复杂和针对性结构的转变。通过追溯这一历史发展，可以预测重金属吸附领域的关键研究方向和新兴趋势。
目前的综述很少提供将石墨烯基材料用于铬和砷修复的多维功能改性策略、协同机制、关键环境影响因素和再生性能整合起来的系统性总结。基于现有的研究基础，针对复杂环境中的稳定性及潜在机制方面的知识空白，本综述系统全面地分析了用于铬和砷修复的功能化石墨烯基材料。它系统地阐述了氧化、还原、物理、化学、复合和缺陷工程改性策略，详细说明了它们各自在铬/砷去除方面的优势、作用机制和适用性。此外，该综述建立了协同的"吸附-转化-固定"框架，阐明了控制污染物捕获和解毒的基本稳定化机制，包括静电吸引、氧化还原反应、配体交换、表面络合、离子交换和沉淀。关键在于，它强调了石墨烯在促进电子转移和提供结构支撑方面的关键作用，并纳入了技术经济成本比较和环境适应性分析。此外，本综述对pH值、温度、反应时间和共存离子等关键环境因素对吸附性能的影响进行了定量分析，并进一步评估了材料的再生潜力。本综述旨在为利用石墨烯基材料修复铬和砷污染领域的理论认识和实践应用提供参考。
章节摘要
文献收集方法
本综述以Web of Science核心合集数据库为数据来源，以"graphene modification"（石墨烯改性）、"adsorption removal"（吸附去除）和"heavy metals"（重金属）为核心关键词。检索时间范围设定为2015年至2026年，共12年，以涵盖这些材料出现以来石墨烯基吸附材料快速发展的阶段。文献筛选过程遵循PRISMA框架，采用两阶段筛选程序。在第一阶段，两位研究人员……
功能化改性方法
石墨烯的功能化改性是拓展其应用领域的重要步骤[48]。为了提升石墨烯的性能，研究人员探索了各种功能化改性方法，如化学改性、物理改性、复合改性和缺陷工程[49]。图3展示了不同类型的改性材料及其提供的功能基团。我们可以根据石墨烯所需性质进行改性，以满足……
稳定化机制
重金属吸附的主要机制包括两类：物理吸附和化学吸附[145]。物理吸附主要基于弱分子间作用力，包括静电吸附、氢键、范德华力和孔隙填充效应[146]；化学吸附源于强烈的表面化学反应，伴随化学键的断裂和重新形成，主要包括表面络合和配体交换[147]。
稳定化影响因素
铬和砷的稳定化效果受pH值、温度、接触时间、共存离子和再生性等关键因素的影响[214]。
结论与展望
在对石墨烯基材料处理铬和砷污染的内在机制、影响因素和修复效果进行系统总结之后，图17直观地展示了本综述的结论和未来展望。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Hui Fan报告获得中国国家重点研发计划（编号：2022YFC3702300）的财务支持。如果有其他作者，他们声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2022YFC3702300）的支持。
Jiaxuan Wang|Hui Fan|Anqi Wang|Xiongwei Dong|Yibo Wang
