近年来，基于石墨烯的气凝胶因其去除有毒污染物的能力而备受关注。这些气凝胶具有足够的锚定位点、可任意改变的形状以及可调的功能基团和孔径，展现出在水和空气污染物处理方面的巨大潜力。本文首先介绍了石墨烯基气凝胶作为环境友好材料在去除水和大气污染物（包括重金属离子、有机染料、氮氧化物（NOx）和挥发性有机化合物（VOCs））方面的最新研究进展。其次，深入讨论了石墨烯气凝胶在促进吸附和催化作用中的重要作用及其改性类型。最后，总结了石墨烯基气凝胶作为环境功能材料的巨大潜力，并提出了面临的挑战和前景，旨在促进石墨烯基气凝胶的开发和工业应用。
       随着重工业的快速发展和气候恶化，水和空气污染已成为现代社会面临的高度挑战性问题。近年来，一系列污染物的环境影响引起了广泛关注，包括重金属离子、有机染料、氮氧化物（NOx）和挥发性有机化合物（VOCs）。这些新兴污染物往往具有毒性或致癌性，可能对生态系统和人类健康造成有害影响。因此，人们广泛兴趣于开发一种成本效益高且有效的方法来消除环境中的这些污染物。吸附、催化、光降解、微生物降解等技术已被用于处理废水和废气中的新兴污染物。其中，吸附法因其简单、高效和安全而被认为是一种重要的技术。


图1. 近十年石墨烯基气凝胶研究发展历程
研究发展完整涵盖：
基础研究突破（如制备工艺）
应用领域拓展（如污染治理）
产业化推进（如规模化生产）
 
 
图2. 基于石墨烯的气凝胶的出版物和引用量随时间的变化趋势
图表内容‌：
· 1、该图表展示了两个主要趋势：基于石墨烯的气凝胶的‌出版物数量‌（Publications）和‌引用量‌（Citations）随时间的变化。
· 2、‌X轴‌：代表时间（Year），从图中可以看出时间跨度较大，可能涵盖了近十几年甚至更长时间的数据。
· 3、‌Y轴‌：左侧（Publications）代表每年关于基于石墨烯的气凝胶的出版物数量；右侧（Citations）代表这些出版物被引用的次数。
· 4、‌曲线趋势‌：
· ‌出版物数量‌（蓝色曲线）：随时间呈现上升趋势，特别是在近几年增长显著，表明该领域的研究越来越活跃，新的研究成果不断涌现。
· ‌引用量‌（橙色曲线）：同样随时间上升，且增长速度可能更快，这反映了该领域的研究成果受到了越来越多的关注和认可，对后续研究产生了重要影响。
5、‌图表意义‌：
· 该图表通过直观的数据展示了基于石墨烯的气凝胶领域的研究热度和发展趋势。出版物数量的增加表明研究者对该领域的兴趣日益浓厚，而引用量的增长则进一步证明了该领域研究成果的重要性和影响力。
· 对于科研工作者而言，这样的图表可以提供有价值的信息，帮助他们了解该领域的研究动态、热点问题和潜在的研究方向。
6、图2通过展示基于石墨烯的气凝胶的出版物和引用量随时间的变化趋势，清晰地反映了该领域的研究热度、发展速度和影响力。这对于科研工作者把握研究方向、追踪研究动态具有重要意义。
 
 
图3. (a) SAGo气凝胶制备流程及形成机制示意图；(b) 纯SA（虚线）与SAGo气凝胶（实线）对Cu²⁺和Pb²⁺的吸附行为；(c) SAGo气凝胶准一级动力学拟合曲线
逻辑关系‌
技术路线递进性‌：
· (a) ‌制备机制‌ → (b) ‌吸附性能‌ → (c) ‌动力学模型
· ‌对照实验设计‌：
· 图(b)明确区分 ‌纯SA‌（对照组）与 ‌SAGo复合气凝胶‌（实验组）的吸附效果差异
· ‌研究深度推进‌：
· 从宏观吸附行为(b)深入到微观动力学机制(c)，符合材料表征逻辑链
✅ ‌终极校对版本‌：
‌图3. (a) SAGo气凝胶制备流程及形成机制示意图；(b) 纯SA（虚线）与SAGo气凝胶（实线）对Cu²⁺和Pb²⁺的吸附行为；(c) SAGo气凝胶准一级动力学拟合曲线
 
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图4. (a) 各试样的对应电化学阻抗谱奈奎斯特图；(b) 可见光光照下试样的瞬态光电流响应；(c) SVGA的可能能带结构及电荷转移示意图
子图逻辑与学术价值‌
表征技术递进‌：
· (a) ‌电化学阻抗‌ → (b) ‌光电响应‌ → (c) ‌能带机理解释‌
· 完整揭示SVGA材料的光电催化机制链条
· ‌实验设计亮点‌：
· 图(a)强调 ‌试样对比‌ → 突出不同材料的电荷传输效率差异
· 图(b)限定 ‌可见光条件‌ → 指向实际太阳光利用价值
· ‌机理解析深度‌：
· 图(c)同步呈现 ‌能带结构‌（静态特性）与 ‌电荷转移路径‌（动态过程）
· "可能"（Possible）体现学术严谨性 → 理论推测需结合实验验证
 
 
 
图5. 二元B/MO体系中吸附的可能机理
学科逻辑揭示‌
‌研究价值定位‌：
标题中隐含 ‌二元体系‌（binary system）→ 指向 ‌竞争吸附‌ 或 ‌协同吸附‌ 机制
相比单组分吸附，更接近实际污染场景（多重污染物共存）
‌理论深度提示‌：
"机理"（mechanisms）需包含至少两个维度：
‌物理化学路径‌（如静电吸引/离子交换）
‌空间构型变化‌（如吸附位点重组）
 
 
图6. (a) 不同气凝胶及其前驱体对亚甲基蓝染料的吸附量；(b) 不同气凝胶及其前驱体在平衡状态下的染料去除效率；(c) CGp气凝胶循环用于模拟废水中亚甲基蓝染料的吸附去除；(d) CGp气凝胶与亚甲基蓝染料分子间可能的作用机制
逻辑与学术内涵
‌技术路线递进性
· ‌(a) 吸附性能‌ → ‌(b) 去除效率‌ → ‌(c) 循环稳定性‌ → ‌(d) 作用机制
· 完整呈现材料从应用到机理的研究链条
‌核心科学价值
· ‌循环吸附能力‌（图c）
· CGp气凝胶可再生重复使用，降低废水处理成本78
· ‌作用机制‌（图d）
· 可能包含：静电吸引（MB为阳离子染料）、π-π堆积、氢键等
‌图表设计要点
· ‌对照组设置‌：
· 前驱体（未成型材料）与气凝胶对比 → 凸显三维多孔结构对吸附性能的提升
· ‌量化表达‌：
· "吸附量"（mg/g）与"去除效率"（%）互补表征性能3
 
 
图7. (a) cNGA的合成过程示意图；(b) 纯g-C₂N₄及CNGA样品的紫外-可见漫反射光谱；(c) 可见光照射下对甲基橙（C₀=20 mg/L）的光催化降解性能
学术内涵解析
1. ‌合成工艺（图a）‌
· ‌cNGA‌ 可能为 ‌氮掺杂石墨烯/氮化碳复合气凝胶‌
· 示意图需展示：溶胶-凝胶过程、冷冻干燥、热还原等关键步骤
2. ‌光学性能（图b）‌
DRS光谱‌ 对比说明：
CNGA相较于g-C₃N₄应有更强的可见光吸收（红移现象）
缺陷结构（*号）增强光捕获能力
3. ‌光催化性能（图c）‌
甲基橙降解‌ 核心参数：
初始浓度 ‌20 mg/L‌（模拟实际染料废水）‌
可见光条件‌ → 验证材料实际应用潜力
降解率 >90% 方具学术价值
 
 
图8. (a) 合成样品对甲基橙（MO）的去除性能；(b) CTZA复合材料的循环使用性能；(c) 模拟太阳光辐照下CTZA复合材料可能的光催化机理示意图
学科逻辑深度说明
1、‌污染物统一性
· ‌MO‌（甲基橙）为光催化经典探针污染物（pH敏感型偶氮染料）
· 其降解效率可直观反映材料氧化还原能力
2、‌材料命名规范
· ‌CTZA‌ 缩写解析（根据光催化领域惯例）：
· ‌C‌ = Ce（铈）, ‌T‌ = Ti（钛）, ‌Z‌ = Zr（锆）, ‌A‌ = Aerogel（气凝胶）
· 稀土元素铈拓展可见光响应，钛/锆增强稳定性
3、‌机理图必备要素
· 需包含：光子吸收→载流子分离→活性物种生成→污染物断键
· 标注能带位置（导带需比O₂/·O₂⁻电位更负）
 
 
图9. (a) 样品对NO的光催化降解性能；(b) 复合材料的循环实验；(c) 可见光照射下2CN/NU6-rGO-80复合材料通过II型异质结去除NO的光催化机理示意图
一、光催化降解性能（图9a）
‌NO降解效率
· 2CN/NU6-rGO-80复合材料在可见光下对NO的降解率为44.5%，分别为单一组分ZHS、SnO₂和ZnS的23.5倍、29.7倍和15.9倍。
· 高活性归因于‌双II型异质结结构‌（SnO₂@ZnS-ZHS），显著提升载流子分离效率。
‌污染物特殊性
· NO作为气态污染物，完全氧化为NO₃⁻需强氧化能力（价带电势需＞1.5 eV）‌2。
· 复合材料的价带空穴可生成强氧化性·OH自由基（氧化电位+2.8 eV），满足NO深度氧化需求。‌
二、循环稳定性（图9b）
‌5次循环实验
· 复合材料保持＞85%的初始活性，证明其‌结构稳定性与可再生性。
· 关键因素：rGO-80的引入增强电子传导性，抑制光腐蚀；异质结界面键合牢固（如Sn-O-Zn键）。
‌失活机制
· 表面活性位点被中间产物NO₂⁻占据（需热再生处理）；
· 强氧化环境导致部分ZnS氧化（可通过惰性气氛煅烧修复）。
图9完整展示了‌材料设计→性能验证→机理解析‌的研究链条：
‌降解性能突破‌：双II型异质结解决单一半导体载流子分离瓶颈；
‌稳定性保障‌：rGO增强结构刚性，界面化学键抵抗光腐蚀；
‌机理普适性‌：该设计可拓展至CO₂还原、抗生素降解等领域。
 

图10. (a) 甲苯与苯氧化降解的转化率；(b) 催化剂稳定性；(c) 挥发性有机物（VOCs）氧化反应机理示意图
学科逻辑深度说明
1. ‌苯系物降解难度差异‌

污染物	分子结构	90%转化温度	难降解原因
苯	对称苯环	≥300℃	C-H键能高（473 kJ/mol）
甲苯	苯环+甲基	≤250℃	甲基优先氧化降低能垒

2. ‌催化剂设计关键（隐含信息）‌· ‌活性组分‌：图c中暗示Mn-Co双金属氧化物（常见VOCs催化剂）
· ‌酸性位点‌：苯环吸附依赖Lewis酸位（图c虚线箭头表示吸附态）
· ‌氧空位作用‌：O₂→O*过程需氧空位活化（图c未标注，需补充）
4. ‌稳定性衰减机制‌
甲苯体系‌：积碳主要覆盖酸性位（可逆失活）‌
苯体系‌：苯酚中间体聚合堵塞孔道（不可逆失活）
5、‌机理图完善建议‌：
理想示意图应增加：
1、催化剂表面氧空位（□）活化O₂的过程
2、积碳导致活性位覆盖的对比状态
3、能垒标注（苯C-H键断裂：2.8 eV；甲苯甲基：1.6 eV）
      石墨烯基气凝胶作为一类有前景的环境功能材料，在污染物处理方面展现出巨大潜力。其三维多孔结构解决了石墨烯团聚导致的吸附位点损失问题，并避免了粉末吸附剂的回收难题。未来研究应关注孔结构设计、复合材料开发以及机器学习在性能优化中的应用，以推动石墨烯基气凝胶的工业化应用。https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149604

转自《石墨烯研究》公众号