石墨烯在水處理技術的應用與評估

 

刊登日期:2017/7/5
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新穎材料—石墨烯,自從2004年被發現以來,因其獨特材料特性引起各領域專家學者的矚目,成為研究與應用上的焦點,包含:電子、光電、能源儲存、環境生醫感測、功能性複合材料等。近期在仿生醫學材料領域,石墨烯亦展現其於人造皮膚、可穿戴式健康感應器與抗菌材料的應用潛力。

石墨烯之製程技術與材料特性
目前石墨烯製備方法主要有:①機械剝離法(Mechanical Exfoliation),此法是以膠帶(Scotch Tape)反覆操作撕裂石墨而成,因此又稱Scotch Tape或Peel-off法;②化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition; CVD)或磊晶成長法(Epitaxial Growth),例如通入乙烯氣體熱裂解沉積在金屬片上;③電化學剝離法(Electrochemical Exfoliation),此法係以電化學方式利用石墨與鉑金屬線為電極,藉由通入一電位差使石墨塊剝離成石墨烯;④化學剝離法(Chemical Exfoliation),以石墨為原料,經由強酸或強氧化劑將其氧化,並脫層為石墨烯氧化物(Graphene Oxide),之後再利用強還原劑(例如:聯氨或硼氫化鈉等)還原形成石墨烯(圖二)。以化學法製備石墨烯具有規模化量產、溶液式製程且容易進行後續的化學改質與可調控的表面化性等優勢,因此具有多樣性的應用前景。

石墨烯於水處理的應用趨勢
1. 石墨烯於抑菌與薄膜材料的應用
(1) 抑菌材料的應用
近年研究發現石墨烯或其衍生物對於抑制大腸桿菌(E. coli)生長有顯著的效果,而且不會傷害人體細胞。本研究以化學還原法之石墨烯為材料,進行不同濃度石墨烯對E. coli 的抑菌效果。當石墨烯的濃度由120 mg/L提升至480 mg/L,其對E. coli 的抑菌效果由31%上升至96%,顯示石墨烯對E. coli 具有良好的抑菌效果(圖三)。經文獻分析,推測其殺菌機制有二:①細菌的細胞吸附於石墨烯表面的殘餘官能基,造成膜壓力(Membrane Stress)使細胞的細胞膜被破壞,細胞質中的內質體流出,導致細菌失去活性,此結果可由E. coli 的TEM圖證實(圖四);②藉由石墨烯良好的傳導電子性質,破壞菌體的抗氧化機制造成氧化壓力(Oxidation Stress),導致細菌失去活性。Glutathione(GSH)為細胞抗氧自由基系統的總樞紐,當其與石墨烯反應時,GSH被氧化失效的效率達~95%,與H2O2的效果相近(圖五)。然推測GSH失效機制為GSH釋放電子(GSH → GSSG + 2e- + 2H+)後,電子再透過石墨烯傳遞至周界環境與O2反應形成H2O2(O2 + 2e- + 2H+ → H2O2)。

圖三、不同濃度之石墨烯對E. coli 的抑菌能力
圖三、不同濃度之石墨烯對E. coli 的抑菌能力

2. 石墨烯於其他水處理的應用
(1) 高敏感度水質檢測器
場效電晶體(Field-effect Transistor; FET)是一種控制訊號造成載體通道附近電場改變,使通道特性發生變化,導致電流改變。由於石墨烯具有高載子遷移率,且能夠偵測微小的電阻,因此以石墨烯薄膜為載子傳輸層的場效電晶體(Graphene Fieldeffect Transistor; GFET)在水中離子或生物的偵測成為電子原件之外重要的應用。圖十顯示於固定電壓下(-0.6 V)不同離子與濃度的水溶液滴至GFET時會反應出不同電流變化,藉此分析水中微量的不同離子。因此,具備檢測水質中的微量重金屬離子或新興污染物的潛力。

(2) 光觸媒材料
光觸媒降解技術是石墨烯於淨水處理中引人注目的應用之一。近幾年研究結果顯示光催化反應中,石墨烯-TiO2複合材料除了具有降解水中難分解的有機物之外,石墨烯之傳導電子能力亦可有效抑制TiO2的空穴-電子複合(圖十一)。圖中顯示石墨烯藉由表面未還原的極性官能基或π-π吸引力吸附水中有機物,而當紫外光照射石墨烯-TiO2複合材料時…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖十一、石墨烯-TiO2複合材料降解水中Methylene Blue機制的示意圖
圖十一、石墨烯-TiO2複合材料降解水中Methylene Blue機制的示意圖

作者:何佳樺 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」367期,更多資料請見下方附檔。


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