随着核能的不断发展,对核电站(尤其核事故)产生的放射性核废物的妥善处理和安全处置已成为世界上许多国家所面临的严重问题,也是当今核能利用必须解决的关键问题。我国核电已进入发展阶段,放射性废液的有效处理及处置对核电和核工业的发展、环境的保护以及人类的健康有重要意义。放射性废液的处理主要用吸附容量高的功能化吸附材料对放射性核素进行富集、浓缩、固化并最终贮存到废物库。

石墨烯理论上是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维结构,在电学、力学、热学和机械等方面具有优越的性能。理想的石墨烯具有高达2 600 m²/g的比表面积。其主要制备方法有单晶基体表面外延生长法、化学氧化剥离法、液相超声剥离法及化学气相沉积法。2006年由RS Ruoff研究组首先报道的化学氧化剥离法是利用浓酸及强氧化剂进行石墨表面强烈氧化,得到的氧化石墨烯具有丰富的含氧官能团。

相比其他碳材料,石墨烯具有更加丰富的物理化学性质。例如,其特殊的二维载体作用极大地增强了对客体分子的物理附着能力,通过适当改性表面基团,能够针对性地制备具有超强化学吸附能力的吸附材料,这是其他任何材料所不具备的结构优势。更重要的是,经过苛刻条件制备的碳纳米材料需要进一步特殊氧化处理才能引入亲水性官能团以增强对金属离子的吸附作用,然而通过Hummers方法得到的氧化石墨烯纳米片本身已含有丰富的含氧官能团,例如羧基、酮基和羟基等。因此,在制备方法上,氧化石墨烯也具有简单及便捷的优势。

2011年中国科学院等离子体物理研究所的王祥科研究员课题组通过改进的Hummers方法,以石墨粉为原料,制备出低层数氧化石墨烯纳米片,研究了其对水溶液中的Cd(II)、Co(II)等重金属离子的吸附能力,并研究了吸附体系中溶液的酸度、离子强度、腐殖酸及温度对吸附性能的影响,推测和分析了可能的吸附机理(Few-Layered Graphene Oxide Nanosheetsas Superior Sorbents for Heavy Metal Ion Pollution Management,Environ. Sci. Technol., 2011, 45, 10454-10462)。研究发现,这种液相化学氧化剥离法制备的低层数氧化石墨烯纳米片,尺寸可达数个微米,厚度为2~3 nm,其表面含有丰富的氧化基团,在水溶液中具有非常好的分散性。将这种氧化石墨烯用于研究吸附处理溶液中的重金属离子如Co(II)、Cd(II)等,发现氧化石墨烯具有明显高于其他已知纳米材料的吸附容量。

该研究通过改进的Hummers方法制备了氧化石墨烯纳米片,并实现了非金属碳材料对重金属离子的高效去除,极大地拓展了氧化石墨烯的应用空间,从实验角度证实氧化石墨烯有望成为未来颇有潜力的环境治理材料。同时分析研究了吸附过程的微观机理,得到了国内外同行的高度评价,被Chemical Reviews、Advanced Materials和Analytical Chemistry等国际著名SCI期刊广泛引用和报道。美国莱斯大学和俄罗斯莫斯科国立罗蒙诺索夫大学的研究人员也发现氧化石墨烯具有非凡的吸附能力,能够快速除去污染水体中的放射性物质。他们以包含铀和钚的模拟核废物以及钠和钙等可负面影响氧化石墨烯吸收效应的物质进行了测试,氧化石墨烯也被证明效用要明显优于膨润土和活性炭等常用的核污染清理剂。

在随后的研究中,为了增加石墨烯表面的活性官能团,以得到更好的吸附性能,人们利用有机分子对石墨烯进行功能化改性,主要包括共价键功能化和非共价键功能化两种。由于氧化石墨烯含有大量的羟基、羧基和环氧键等活性基团,可以通过多种化学反应对石墨烯进行共价键功能化。我们课题组用氧化石墨烯及其复合材料吸附重金属离子[Pb(II)、Cu(II)、Cr(VI)]和放射性元素[Cs(I)、Sr(II)、Eu(III)、U(VI)]等,结果发现氧化石墨烯及其复合材料具有很高的吸附容量,相关工作发表在Adv. Mater.、Environ. Sci. Technol.、Chem. Sci.、J. Mater. Chem.、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Phys. Chem. C、Chem. Asian J.和J. Hazard. Mater.等期刊上。

石墨烯作为一种新型二维碳材料,具有比表面积大、吸附性能强、耐酸碱、抗辐射性能好等优点,关于其功能化改性及相关应用研究已取得很大的进展。但是,石墨烯及其改性材料清除放射性核素和重金属离子尚属实验和探索阶段,要实现该类材料在放射性废水处理上的实际应用,还有许多问题亟待解决,主要有：(1)不仅要研究单一放射性元素的去除过程及无机盐、有机成分对吸附过程和机理的影响,还要研究多组分共存体系的吸附去除过程,为石墨烯及其改性材料应用于处理实际放射性核素提供一定的理论基础;(2)强辐照对石墨烯及其复合材料富集性能的影响和石墨烯的稳定性需要进行深入研究;(3)强化动力学和机理研究,开发新的数学模型,并与吸附机理的探讨相结合;联合利用多样化的分析、检测、表征手段,对吸附机理进行多角度、多层次的深入探讨,以研发和改性吸附性能优良的新型石墨烯类材料;(4)开发出成本低、批量生产、吸附性能良好且易分离回收的石墨烯复合材料。