本书根据作者所在课题组近年来在石墨烯材料环境应用方面的研究成果,结合国内外新的科研进展编写而成。从石墨烯及其衍生物的结构和性能出发,介绍了石墨烯材料在水处理、土壤治理、气体探测和空气净化等领域的应用,对石墨烯基环境材料的发展趋势及应用进行了展望。
本书尽可能使用较为通俗易懂的语言进行讲述,以达到深入浅出的效果。本书既有基础理论的介绍,也有专业应用技术的总结。本书不仅可作为材料与纳米科技等专业研究人员的参考书,也适用于对石墨烯材料感兴趣的非专业读者。
石墨烯是碳的同素异形体大家族的又一个传奇，也是当今横跨学术界和产业界的超级明星，几乎到了家喻户晓、妇孺皆知的程度。当然，石墨烯是当之无愧的。作为由单层碳原子构成的蜂窝状二维原子晶体材料，石墨烯拥有无与伦比的特性。理论上讲，它是导电性和导热性较好的材料，也是理想的轻质高强材料。正因如此，一经问世便吸引了全球范围的关注。石墨烯有可能创造一个全新的产业，石墨烯产业将成为未来全球高科技产业竞争的高地，这一点已经成为国内外学术界和产业界的共识。
从2004年至今，已经有了近十六年的历史沉淀。无论是石墨烯的基础研究，还是石墨烯材料的产业化实践，人们都有了更多的一手材料，更有可能对石墨烯材料有一个全方位套丛书出的、科学的、理性的认识。总结历史，是为了更好地走向未来。对于新兴的石墨烯产业来说，战略前沿新材料——石墨烯出版工程的出版意义也是不言而喻的。事实上，国内外已经出版了数十部石墨烯相关书籍，其中不乏经典性著作。本丛书的定位有所不同，希望能够全面总结石墨烯相关的知识积累，反映石墨烯领域的国内外前沿研究进展，展示石墨烯新材料的产业化现状与发展前景，尤其希望能够充分体现国人对石墨烯领域的贡献。
本丛书共包括22分册，执笔作者20余位，都是石墨烯领域的重量级学者、专家，因此可以从源头上保障丛书的专业性和科学性。丛书分五大部分，囊括了从石墨烯的基本性质和表征技术，到石墨烯材料的制备方法及其在不同领域的应用，以及石墨烯产品的计量检测标准等全方位的知识总结。同时，两份产业研究报告详细阐述了世界各国的石墨烯产业发展现状和未来发展趋势。除此之外，丛书还为广大石墨烯迷们提供了一份科普读物《有问必答：石墨烯的魅力》，针对广泛征集到的石墨烯相关问题答疑解惑，去伪求真。
本丛书的内容涵盖石墨烯新材料的方方面面，每个分册也相对独立，具有很强的系统性、知识性、专业性和即时性，凝聚着各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的广大读者参考使用。希望丛书的出版对中国的石墨烯研究和中国石墨烯产业的健康发展有所助益。
1. “战略前沿新材料——石墨烯出版工程” “十三五”国家重点出版物出版规划项目/国家出版基金丛书由石墨烯的基本性质与表征技术、石墨烯的制备技术和计量标准、石墨烯的分类应用、石墨烯的发展现状报告、石墨烯科普知识等五大部分共22分册构成，本书为第十二分册。
2. 丛书由我国石墨烯研究领域的主要开拓者及我国石墨烯发展的重要推动者、北京大学教授、北京石墨烯研究院创院院长刘忠范院士亲自策划并担任总主编。本书从石墨烯的发展史出发，深入浅出地介绍了石墨烯的结构、特性、制备方法、化学修饰与功能化、微结构调控、组装技术以及组装体在能量转换和储存等方面的应用。
3.全书采用80克雅质纸，彩色印刷，清晰直观地展现了石墨烯的结构、模拟及表征结果。
战略前沿新材料——石墨烯出版工程书目：
01-石墨烯的结构与基本性质
02-石墨烯的结构与物性表征
03-石墨烯基材料的拉曼光谱研究
04-石墨烯制备技术
05-石墨烯的化学气相沉积生长方法
06-粉体石墨烯材料的制备方法
07-石墨烯材料质量技术基础：计量
08-石墨烯电化学储能技术
09-石墨烯超级电容器
10-石墨烯微电子与光电子器件
11-石墨烯透明导电薄膜与柔性光电器件
12-石墨烯膜材料与环保应用
13-石墨烯基传感器件
14-石墨烯宏观材料及应用
15-石墨烯复合材料
16-石墨烯生物技术
17-石墨烯化学与组装技术
18-功能化石墨烯材料及应用
19-石墨烯粉体材料：从基础研究到工业应用
20-全球石墨烯产业研究报告
21-中国石墨烯产业研究报告
22-有问必答：石墨烯的魅力
随着人口数量的持续增长、工业化进程的快速推进,人类活动对水体、土壤和空气的影响范围与强度不断增大,全球性环境污染问题日益严重。水体污染和净水资源短缺已经成为全球性的挑战之一,日益加剧的土壤环境污染问题不容忽视,恶劣天气频频出现,室内的甲醛、苯等挥发气体,室外的汽车尾气、工业废气、PM2.5等颗粒物在时刻威胁着人类的身体健康。
纳米技术为新材料的研发开启了一条全新的途径并注入新的活力,也为缓解和解决以上问题提供了新思路。作为典型的二维单原子层的纳米材料,石墨烯及其衍生物具有优异的电学、热学、光学、力学性能,及高比表面积、良好的稳定性和灵活的可修饰性,在水、空气净化及农业领域极具应用前景。鉴于此,本书著者基于国内外研究人员对石墨烯基材料在膜法水处理、农业、气体检测及颗粒物过滤等领域的研究现状,结合本课题组多年的研究成果,撰写本书,期望对从事本领域研究、开发、生产和应用的相关专业人员有所帮助、有所启迪。
本书涵盖了石墨烯基水处理膜材料、石墨烯及其衍生物添加改性高分子膜材料、石墨烯及其衍生物表面改性高分子膜材料、氧化石墨烯与植物的相互作用、氧化石墨烯对土壤中重金属的吸附、氧化石墨烯的杀菌性及应用、石墨烯基材料的气体探测、石墨烯基材料的PM 过滤及石墨烯基织物等内容,其中部分数据源于著者的研究成果,同时查阅和参考了大量中外文献。
本书共分为10章,各章编写人员如下:胡蕊蕊、朱宏伟1~3 章),何艺佳、朱宏伟(第4~6章),李晶(第7~9 章),胡蕊蕊、何艺佳、朱宏伟(第十章)。全书由赵国珂、朱宏伟统稿。
由于该领域发展日新月异,加之著者水平和能力有限,书中难免有疏漏和不足之处,敬请读者和相关专家予以批评指正。
1章 石墨烯基水处理膜001
1.1 石墨烯膜和多孔石墨烯膜003
1.1.1 石墨烯膜003
1.1.2 多孔石墨烯膜的理论计算005
1.1.3 多孔石墨烯膜的实验研究010
1.2 氧化石墨烯膜的制备013
1.2.1 滴涂法014
1.2.2 旋涂法015
1.2.3 喷涂法016
1.2.4 刮涂法016
1.2.5 真空抽滤法016
1.2.6 高压辅助沉积法018
1.3 氧化石墨烯膜的传质特性018
1.3.1 水和离子传输性质018
1.3.2 传质机理021
1.3.3 水环境中的稳定性025
1.4 氧化石墨烯膜孔结构的调控028
1.4.1 交联029
1.4.2 还原034
1.4.3 成膜工艺039
1.4.4 测试条件042
1.4.5 电控045
1.4.6 其他方法049
1.5 氧化石墨烯基复合膜055
1.5.1 碳纳米管055
1.5.2 石墨烯059
1.5.3 其他二维材料060
1.5.4 纳米纤维063
1.5.5 纳米颗粒065
参考文献066
第2章 氧化石墨烯添加改性高分子膜071
2.1 高分子膜概述073
2.1.1 高分子膜的分类073
2.1.2 高分子膜的结构和制备073
2.1.3 高分子膜的性能评价指标076
2.1.4 高分子膜存在的问题及改性方法077
2.2 氧化石墨烯添加改性反渗透膜080
2.2.1 GO 080
2.2.2 GO 量子点084
2.2.3 GO 与其他纳米材料的复合物085
2.3 氧化石墨烯添加改性纳滤膜086
2.3.1 水相分散087
2.3.2 油相分散089
2.3.3 压力辅助090
2.4 氧化石墨烯添加改性超滤膜091
2.4.1 纤维素膜091
2.4.2 聚砜膜092
参考文献094
第3章 氧化石墨烯表面涂层097
3.1 界面相互作用099
3.1.1 物理相互作用100
3.1.2 静电相互作用105
3.1.3 共价键相互作用108
3.2 抗污染性能110
3.2.1 抗生物污染110
3.2.2 抗有机污染116
3.3 抗氯性能121
3.3.1 膜氯化的概念、机理和影响121
3.3.2 氧化石墨烯涂层提高膜抗氯性能的机制123
3.4 膜过滤性能127
3.4.1 降低膜通量127
3.4.2 保持膜通量128
3.4.3 提高膜通量和截留率129
参考文献131
第4章 氧化石墨烯对植物生长的影响135
4.1 纳米颗粒和CNT 对植物生长的作用138
4.1.1 氧化物纳米颗粒对植物生长的作用138
4.1.2 金属纳米颗粒对植物生长的作用138
4.1.3 CNT 对植物生长的作用140
4.2 氧化石墨烯在水培条件下对植物生长的作用142
4.3 氧化石墨烯在土培条件下对植物生长的作用155
4.4 石墨烯在缓控释化肥方面的应用167
4.4.1 氧化石墨烯基常量元素缓释化肥167
4.4.2 氧化石墨烯基微量元素缓释化肥171
参考文献175
第5章 氧化石墨烯对环境中重金属的作用179
5.1 水体中GO 对金属的作用182
5.1.1 GO 吸附性能的研究方法182
5.1.2 GO 在溶液中对金属的吸附能力及吸附机制185
5.1.3 金属对水体中GO 的絮凝作用201
5.2 GO 对植物吸收金属的影响205
5.2.1 水培条件下GO 对植物吸收金属的影响206
5.2.2 土培条件下GO 对重金属形态分布及植物吸收重金属的
影响212
参考文献217
第6章 氧化石墨烯的杀菌性能及其应用219
6.1 氧化石墨烯的杀菌性能221
6.1.1 影响因素222
6.1.2 杀菌机制225
6.2 氧化石墨烯对土壤中微生物群落的影响226
6.3 氧化石墨烯在植物抗病领域的应用229
参考文献249
第7章 石墨烯基材料的气体探测251
7.1 气体传感器简介253
7.2 石墨烯的特性254
7.3 石墨烯基气体传感器的研究进展256
7.3.1 本征石墨烯基气体传感器256
7.3.2 缺陷和功能化石墨烯基气体传感器260
参考文献264
第8章 石墨烯基材料的颗粒物过滤267
8.1 过滤的基本概念269
8.1.1 气溶胶颗粒269
8.1.2 扩散效率270
8.1.3 拦截效率271
8.1.4 碰撞效率272
8.1.5 静电效应273
8.1.6 重力沉降273
8.1.7 纳米颗粒和热回弹纳米颗粒的潜力274
8.1.8 具穿透力的颗粒大小274
8.1.9 膜和毛细管孔过滤效率275
8.1.10 压降276
8.1.11 加载效果276
8.2 常见过滤器的类型277
8.2.1 气溶胶测量过滤器277
8.2.2 纤维过滤器278
8.2.3 膜过滤器279
8.2.4 毛细管孔隙过滤器279
8.2.5 其他过滤器280
8.3 空气过滤器280
8.4 过滤理论282
8.4.1 空气过滤材料的工作原理282
8.4.2 过滤材料的性能指标284
8.5 静电纺丝285
8.5.1 静电纺丝原理285
8.5.2 静电纺丝过程286
8.6 GO 纳米纤维滤膜287
8.6.1 GO 的基本特性287
8.6.2 高效率、低阻力串珠结构的GO/聚丙烯腈复合材料288
参考文献303
第9章 石墨烯在个体防护领域的应用307
9.1 石墨烯口罩310
9.2 石墨烯针织物品311
9.2.1 紫外防护织物311
9.2.2 疏水织物312
9.2.3 导热织物和阻燃织物312
9.2.4 光催化织物和抗菌织物314
参考文献315
第十章 石墨烯材料的环保应用展望317
10.1 水处理319
10.2 土壤治理320
10.3 空气治理321
索引322
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