炭材料在大气污染治理中的应用

（一）碳纳米管

碳纳米管作为重要代表性的一维纳米材料，具有多方面优异的性能，使其在环保领域已取得初步的探索和小范围的应用。目前由于碳纳米管相对于传统吸附材料的价格较高和应用技术不强等问题，导致其在大气中的应用主要体现在与其他技术结合来去除大气中有机污染物和无机污染物的处理。因此，本书仅讨论有机污染物去除的机理和无机物去除的应用。

1.有机污染物的去除

（1）疏水作用

CNTs表面很强的疏水性缘于其极性很弱，很难与大气中水分子形成氢键：对正己烷、苯、环己烷（疏水性较强）及乙醇和2-丙醇（疏水性弱）的研究表明，CNTs优先选择吸附疏水性强的有机化合物。因此，疏水性作用可以用来解释疏水性较强的有机化合物在CNTs表面吸附的行为机制。而对于带有一定亲水官能团的有机化合物，单独用疏水作用就很难完全解释其在CNTs上的吸附。有研究表明，CNTs的吸附亲和力与几种极性芳香族化合物的疏水性之间的相关性很差，且用十六烷一水分配系数归一化后的几种有机物在CNTs上的吸附系数差别超过1 000倍。这表明除了疏水作用之外，CNTs吸附有机物化合物还存在其他作用。

（2）π-π有机键

由于CNTs具有典型的六边形结构，如同苯环一样其离域大π键是平均分布在六个碳原子上，且每个碳碳键的键长和键能是相等的。所以CNTs表面可以和C=C以及含苯环的有机化合物形成含苯环的键，可以用拉曼光谱、核磁共振和荧光技术准确观察测量。

（3）氢键

CNTs由于表面存在缺陷，使得表面往往含有一定极性官能团，如-OH、-COOH、SO3H、-NH2、-SH等，这些表面官能团上的氢原子可以作为电子受体与被吸附化合物分子中电负性较大的原子如氧、氮、硫、氟、氯等孤对电子作用，形成氢键。同样，结合在表面官能团中氢原子上的氧、氮、硫等原子的孤对电子也可与吸附质分子中氢原子作用形成氢键。目前，多数对氢键作用机理的研究都集中在普通氢键，即诱导偶极同极性分子的永久偶极间的作用力。但最近有关学者通过研究CNTs吸附离子型化合物时发现，表面含氧官能团与离子型有机化合物的羧基或羟基官能团之间可以形成一种负电荷协助氢键，该氢键与普通氢键最大区别在于：在普通氢键中，氢原子在两个电负性原子间不等分配；而在CAHB中，氢原子几乎是被两个负电性原子平均共享，且这种氢键的强度和稳定性远大于普通氢键。

（4）共价键

当CNTs和被吸附的有机化合物都含有一定的官能团（如-OH、-COOH、-NH2等）时，吸附过程就有可能以共价键的形式存在。这种共价键吸附机理的存在可以通过红外光谱、X射线光电子能谱和核磁共振技术得以证实。相对于非共价键吸附（如疏水作用、π线光电键栩氢键）而言，有机化合物通过共价键吸附在CNTs表面的亲和力要远大于非共价键，而且这种通过共价键的吸附几乎是不可逆的。(www.xing528.com)

2.氮氧化物的去除

碳纳米管对无机污染物的去除主要表现在催化还原去除大气中的氮氧化物。王文辉对碳纳米管（CNTs）负载MnO2催化剂的低温选择性催化还原NO性能及其结构进行了研究。[8]试验结果表明：

（1）在15W，40min的改性条件下，碳纳米管表面的氧元素含量可以从最初的1.90％上升到7.47％，比表面积从125 m2/g上升到156 m2/g，而孔体积则从0.309 cm3/g上升到0.358 cm3/g。

（2）在改性过程中，氧等离子体首先轰击碳纳米管表面上的缺陷位，使部分SP2碳转化为SP3碳并在10 min内快速在碳纳米管表面引入-OH，-COOH官能团；之后-OH在氧等离子体的进一步氧化作用下可以转化为-COOH官能团，并进一步提高碳纳米管表面氧元素的含量：最后-COOH官能团会由于过长的改性时间而进一步氧化下会分解生成CO2和H2O。

（3）改性后的碳纳米管作为载体的催化剂具有较高的比表面积和孔体积，改性后的碳纳米管上的含氧官能团在一定程度上能促进活性组分在碳纳米管表面上的分散和加速催化还原反应。

（二）石墨烯

由于石墨烯是一种新型材料，其在大气污染物的吸附与去除方面上的研究很少。目前其主要应用在大气处理中催化剂的负载方面和大气吸附净化处理方面。

研究表明，Fe原子与石墨烯的掺杂，Fe原子的引入可以显著提高H2S与石墨烯复合物之间的相互作用，最后将气体H2S分离成S和H2。同时，用一步法合成石墨烯复合物（MGA），在合成的过程中，利用聚乙烯亚胺（PEI）作为还原剂，不仅有助于氢键与氧化石墨烯的连接，还原得到的石墨烯有大的比表面积，而且引进胺基团在吸附甲醛有毒气体方面有很好的前景。研究发现，引进胺基团的MGA在吸附有毒气体甲醛方面，MGA上的胺基团会选择性地与甲醛进行结合，在MGA吸附甲醛的实验中，在反应进行5 min时，甲醛气体被快速吸附，接近吸附饱和量，吸附能力达到2.43 m/g，与其他胺化碳基材料相比，吸附量达到更大。另外，利用掺杂的方法在石墨烯片上引入铂，利用密度泛函理论计算得到铂掺杂的石墨烯片拥有更大的结合能、静电荷转移量，在吸附有毒气体H2S时，能有效地利用复合物的结合能将H2S分子稳定的绑定Pt原子在石墨烯片上，达到去除有毒气体的效果。[9]

综上所述，这些通过特定方法进行改性后的石墨烯是最有前途的去除有毒气体的吸附剂。因此，在今后的研究中，应该对单纯石墨烯进行一定的改性，添加其他材料，提高复合物的综合性，从而更好地对环境中的有毒气体进行去除，达到净化空气的要求。