本書根據作者所在課題組近年來在石墨烯材料環(huán)境應用方面的研究成果,結合國內外新的科研進展編寫而成。從石墨烯及其衍生物的結構和性能出發(fā),介紹了石墨烯材料在水處理、土壤治理、氣體探測和空氣凈化等領域的應用,對石墨烯基環(huán)境材料的發(fā)展趨勢及應用進行了展望。
本書盡可能使用較為通俗易懂的語言進行講述,以達到深入淺出的效果。本書既有基礎理論的介紹,也有專業(yè)應用技術的總結。本書不僅可作為材料與納米科技等專業(yè)研究人員的參考書,也適用于對石墨烯材料感興趣的非專業(yè)讀者。
石墨烯是碳的同素異形體大家族的又一個傳奇，也是當今橫跨學術界和產業(yè)界的超級明星，幾乎到了家喻戶曉、婦孺皆知的程度。當然，石墨烯是當之無愧的。作為由單層碳原子構成的蜂窩狀二維原子晶體材料，石墨烯擁有無與倫比的特性。理論上講，它是導電性和導熱性較好的材料，也是理想的輕質高強材料。正因如此，一經問世便吸引了全球范圍的關注。石墨烯有可能創(chuàng)造一個全新的產業(yè)，石墨烯產業(yè)將成為未來全球高科技產業(yè)競爭的高地，這一點已經成為國內外學術界和產業(yè)界的共識。
從2004年至今，已經有了近十六年的歷史沉淀。無論是石墨烯的基礎研究，還是石墨烯材料的產業(yè)化實踐，人們都有了更多的一手材料，更有可能對石墨烯材料有一個全方位套叢書出的、科學的、理性的認識。總結歷史，是為了更好地走向未來。對于新興的石墨烯產業(yè)來說，戰(zhàn)略前沿新材料——石墨烯出版工程的出版意義也是不言而喻的。事實上，國內外已經出版了數(shù)十部石墨烯相關書籍，其中不乏經典性著作。本叢書的定位有所不同，希望能夠全面總結石墨烯相關的知識積累，反映石墨烯領域的國內外前沿研究進展，展示石墨烯新材料的產業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展前景，尤其希望能夠充分體現(xiàn)國人對石墨烯領域的貢獻。
本叢書共包括22分冊，執(zhí)筆作者20余位，都是石墨烯領域的重量級學者、專家，因此可以從源頭上保障叢書的專業(yè)性和科學性。叢書分五大部分，囊括了從石墨烯的基本性質和表征技術，到石墨烯材料的制備方法及其在不同領域的應用，以及石墨烯產品的計量檢測標準等全方位的知識總結。同時，兩份產業(yè)研究報告詳細闡述了世界各國的石墨烯產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。除此之外，叢書還為廣大石墨烯迷們提供了一份科普讀物《有問必答：石墨烯的魅力》，針對廣泛征集到的石墨烯相關問題答疑解惑，去偽求真。
本叢書的內容涵蓋石墨烯新材料的方方面面，每個分冊也相對獨立，具有很強的系統(tǒng)性、知識性、專業(yè)性和即時性，凝聚著各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的廣大讀者參考使用。希望叢書的出版對中國的石墨烯研究和中國石墨烯產業(yè)的健康發(fā)展有所助益。
1. “戰(zhàn)略前沿新材料——石墨烯出版工程” “十三五”國家重點出版物出版規(guī)劃項目/國家出版基金叢書由石墨烯的基本性質與表征技術、石墨烯的制備技術和計量標準、石墨烯的分類應用、石墨烯的發(fā)展現(xiàn)狀報告、石墨烯科普知識等五大部分共22分冊構成，本書為第十二分冊。
2. 叢書由我國石墨烯研究領域的主要開拓者及我國石墨烯發(fā)展的重要推動者、北京大學教授、北京石墨烯研究院創(chuàng)院院長劉忠范院士親自策劃并擔任總主編。本書從石墨烯的發(fā)展史出發(fā)，深入淺出地介紹了石墨烯的結構、特性、制備方法、化學修飾與功能化、微結構調控、組裝技術以及組裝體在能量轉換和儲存等方面的應用。
3.全書采用80克雅質紙，彩色印刷，清晰直觀地展現(xiàn)了石墨烯的結構、模擬及表征結果。
戰(zhàn)略前沿新材料——石墨烯出版工程書目：
01-石墨烯的結構與基本性質
02-石墨烯的結構與物性表征
03-石墨烯基材料的拉曼光譜研究
04-石墨烯制備技術
05-石墨烯的化學氣相沉積生長方法
06-粉體石墨烯材料的制備方法
07-石墨烯材料質量技術基礎：計量
08-石墨烯電化學儲能技術
09-石墨烯超級電容器
10-石墨烯微電子與光電子器件
11-石墨烯透明導電薄膜與柔性光電器件
12-石墨烯膜材料與環(huán)保應用
13-石墨烯基傳感器件
14-石墨烯宏觀材料及應用
15-石墨烯復合材料
16-石墨烯生物技術
17-石墨烯化學與組裝技術
18-功能化石墨烯材料及應用
19-石墨烯粉體材料：從基礎研究到工業(yè)應用
20-全球石墨烯產業(yè)研究報告
21-中國石墨烯產業(yè)研究報告
22-有問必答：石墨烯的魅力
隨著人口數(shù)量的持續(xù)增長、工業(yè)化進程的快速推進,人類活動對水體、土壤和空氣的影響范圍與強度不斷增大,全球性環(huán)境污染問題日益嚴重。水體污染和凈水資源短缺已經成為全球性的挑戰(zhàn)之一,日益加劇的土壤環(huán)境污染問題不容忽視,惡劣天氣頻頻出現(xiàn),室內的甲醛、苯等揮發(fā)氣體,室外的汽車尾氣、工業(yè)廢氣、PM2.5等顆粒物在時刻威脅著人類的身體健康。
納米技術為新材料的研發(fā)開啟了一條全新的途徑并注入新的活力,也為緩解和解決以上問題提供了新思路。作為典型的二維單原子層的納米材料,石墨烯及其衍生物具有優(yōu)異的電學、熱學、光學、力學性能,及高比表面積、良好的穩(wěn)定性和靈活的可修飾性,在水、空氣凈化及農業(yè)領域極具應用前景。鑒于此,本書著者基于國內外研究人員對石墨烯基材料在膜法水處理、農業(yè)、氣體檢測及顆粒物過濾等領域的研究現(xiàn)狀,結合本課題組多年的研究成果,撰寫本書,期望對從事本領域研究、開發(fā)、生產和應用的相關專業(yè)人員有所幫助、有所啟迪。
本書涵蓋了石墨烯基水處理膜材料、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、氧化石墨烯與植物的相互作用、氧化石墨烯對土壤中重金屬的吸附、氧化石墨烯的殺菌性及應用、石墨烯基材料的氣體探測、石墨烯基材料的PM 過濾及石墨烯基織物等內容,其中部分數(shù)據源于著者的研究成果,同時查閱和參考了大量中外文獻。
本書共分為10章,各章編寫人員如下:胡蕊蕊、朱宏偉1~3 章),何藝佳、朱宏偉(第4~6章),李晶(第7~9 章),胡蕊蕊、何藝佳、朱宏偉(第十章)。全書由趙國珂、朱宏偉統(tǒng)稿。
由于該領域發(fā)展日新月異,加之著者水平和能力有限,書中難免有疏漏和不足之處,敬請讀者和相關專家予以批評指正。
1章 石墨烯基水處理膜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 多孔石墨烯膜的理論計算005
1.1.3 多孔石墨烯膜的實驗研究010
1.2 氧化石墨烯膜的制備013
1.2.1 滴涂法014
1.2.2 旋涂法015
1.2.3 噴涂法016
1.2.4 刮涂法016
1.2.5 真空抽濾法016
1.2.6 高壓輔助沉積法018
1.3 氧化石墨烯膜的傳質特性018
1.3.1 水和離子傳輸性質018
1.3.2 傳質機理021
1.3.3 水環(huán)境中的穩(wěn)定性025
1.4 氧化石墨烯膜孔結構的調控028
1.4.1 交聯(lián)029
1.4.2 還原034
1.4.3 成膜工藝039
1.4.4 測試條件042
1.4.5 電控045
1.4.6 其他方法049
1.5 氧化石墨烯基復合膜055
1.5.1 碳納米管055
1.5.2 石墨烯059
1.5.3 其他二維材料060
1.5.4 納米纖維063
1.5.5 納米顆粒065
參考文獻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 高分子膜的分類073
2.1.2 高分子膜的結構和制備073
2.1.3 高分子膜的性能評價指標076
2.1.4 高分子膜存在的問題及改性方法077
2.2 氧化石墨烯添加改性反滲透膜080
2.2.1 GO 080
2.2.2 GO 量子點084
2.2.3 GO 與其他納米材料的復合物085
2.3 氧化石墨烯添加改性納濾膜086
2.3.1 水相分散087
2.3.2 油相分散089
2.3.3 壓力輔助090
2.4 氧化石墨烯添加改性超濾膜091
2.4.1 纖維素膜091
2.4.2 聚砜膜092
參考文獻094
第3章 氧化石墨烯表面涂層097
3.1 界面相互作用099
3.1.1 物理相互作用100
3.1.2 靜電相互作用105
3.1.3 共價鍵相互作用108
3.2 抗污染性能110
3.2.1 抗生物污染110
3.2.2 抗有機污染116
3.3 抗氯性能121
3.3.1 膜氯化的概念、機理和影響121
3.3.2 氧化石墨烯涂層提高膜抗氯性能的機制123
3.4 膜過濾性能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
參考文獻131
第4章 氧化石墨烯對植物生長的影響135
4.1 納米顆粒和CNT 對植物生長的作用138
4.1.1 氧化物納米顆粒對植物生長的作用138
4.1.2 金屬納米顆粒對植物生長的作用138
4.1.3 CNT 對植物生長的作用140
4.2 氧化石墨烯在水培條件下對植物生長的作用142
4.3 氧化石墨烯在土培條件下對植物生長的作用155
4.4 石墨烯在緩控釋化肥方面的應用167
4.4.1 氧化石墨烯基常量元素緩釋化肥167
4.4.2 氧化石墨烯基微量元素緩釋化肥171
參考文獻175
第5章 氧化石墨烯對環(huán)境中重金屬的作用179
5.1 水體中GO 對金屬的作用182
5.1.1 GO 吸附性能的研究方法182
5.1.2 GO 在溶液中對金屬的吸附能力及吸附機制185
5.1.3 金屬對水體中GO 的絮凝作用201
5.2 GO 對植物吸收金屬的影響205
5.2.1 水培條件下GO 對植物吸收金屬的影響206
5.2.2 土培條件下GO 對重金屬形態(tài)分布及植物吸收重金屬的
影響212
參考文獻217
第6章 氧化石墨烯的殺菌性能及其應用219
6.1 氧化石墨烯的殺菌性能221
6.1.1 影響因素222
6.1.2 殺菌機制225
6.2 氧化石墨烯對土壤中微生物群落的影響226
6.3 氧化石墨烯在植物抗病領域的應用229
參考文獻249
第7章 石墨烯基材料的氣體探測251
7.1 氣體傳感器簡介253
7.2 石墨烯的特性254
7.3 石墨烯基氣體傳感器的研究進展256
7.3.1 本征石墨烯基氣體傳感器256
7.3.2 缺陷和功能化石墨烯基氣體傳感器260
參考文獻264
第8章 石墨烯基材料的顆粒物過濾267
8.1 過濾的基本概念269
8.1.1 氣溶膠顆粒269
8.1.2 擴散效率270
8.1.3 攔截效率271
8.1.4 碰撞效率272
8.1.5 靜電效應273
8.1.6 重力沉降273
8.1.7 納米顆粒和熱回彈納米顆粒的潛力274
8.1.8 具穿透力的顆粒大小274
8.1.9 膜和毛細管孔過濾效率275
8.1.10 壓降276
8.1.11 加載效果276
8.2 常見過濾器的類型277
8.2.1 氣溶膠測量過濾器277
8.2.2 纖維過濾器278
8.2.3 膜過濾器279
8.2.4 毛細管孔隙過濾器279
8.2.5 其他過濾器280
8.3 空氣過濾器280
8.4 過濾理論282
8.4.1 空氣過濾材料的工作原理282
8.4.2 過濾材料的性能指標284
8.5 靜電紡絲285
8.5.1 靜電紡絲原理285
8.5.2 靜電紡絲過程286
8.6 GO 納米纖維濾膜287
8.6.1 GO 的基本特性287
8.6.2 高效率、低阻力串珠結構的GO/聚丙烯腈復合材料288
參考文獻303
第9章 石墨烯在個體防護領域的應用307
9.1 石墨烯口罩310
9.2 石墨烯針織物品311
9.2.1 紫外防護織物311
9.2.2 疏水織物312
9.2.3 導熱織物和阻燃織物312
9.2.4 光催化織物和抗菌織物314
參考文獻315
第十章 石墨烯材料的環(huán)保應用展望317
10.1 水處理319
10.2 土壤治理320
10.3 空氣治理321
索引322
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