本書根據(jù)作者所在課題組近年來在石墨烯材料環(huán)境應(yīng)用方面的研究成果,結(jié)合國內(nèi)外新的科研進(jìn)展編寫而成。從石墨烯及其衍生物的結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的應(yīng)用,對(duì)石墨烯基環(huán)境材料的發(fā)展趨勢及應(yīng)用進(jìn)行了展望。
本書盡可能使用較為通俗易懂的語言進(jìn)行講述,以達(dá)到深入淺出的效果。本書既有基礎(chǔ)理論的介紹,也有專業(yè)應(yīng)用技術(shù)的總結(jié)。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(duì)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(gè)傳奇，也是當(dāng)今橫跨學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的超級(jí)明星，幾乎到了家喻戶曉、婦孺皆知的程度。當(dāng)然，石墨烯是當(dāng)之無愧的。作為由單層碳原子構(gòu)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(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好的材料，也是理想的輕質(zhì)高強(qiáng)材料。正因如此，一經(jīng)問世便吸引了全球范圍的關(guān)注。石墨烯有可能創(chuàng)造一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)，石墨烯產(chǎn)業(yè)將成為未來全球高科技產(chǎn)業(yè)競爭的高地，這一點(diǎn)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共識(shí)。
從2004年至今，已經(jīng)有了近十六年的歷史沉淀。無論是石墨烯的基礎(chǔ)研究，還是石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐，人們都有了更多的一手材料，更有可能對(duì)石墨烯材料有一個(gè)全方位套叢書出的、科學(xué)的、理性的認(rèn)識(shí)。總結(jié)歷史，是為了更好地走向未來。對(duì)于新興的石墨烯產(chǎn)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(shí)上，國內(nèi)外已經(jīng)出版了數(shù)十部石墨烯相關(guān)書籍，其中不乏經(jīng)典性著作。本叢書的定位有所不同，希望能夠全面總結(jié)石墨烯相關(guān)的知識(shí)積累，反映石墨烯領(lǐng)域的國內(nèi)外前沿研究進(jìn)展，展示石墨烯新材料的產(chǎn)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(duì)石墨烯領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。
本叢書共包括22分冊(cè)，執(zhí)筆作者20余位，都是石墨烯領(lǐng)域的重量級(jí)學(xué)者、專家，因此可以從源頭上保障叢書的專業(yè)性和科學(xué)性。叢書分五大部分，囊括了從石墨烯的基本性質(zhì)和表征技術(shù)，到石墨烯材料的制備方法及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，以及石墨烯產(chǎn)品的計(jì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)等全方位的知識(shí)總結(jié)。同時(shí)，兩份產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告詳細(xì)闡述了世界各國的石墨烯產(chǎn)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(duì)廣泛征集到的石墨烯相關(guān)問題答疑解惑，去偽求真。
本叢書的內(nèi)容涵蓋石墨烯新材料的方方面面，每個(gè)分冊(cè)也相對(duì)獨(dú)立，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、知識(shí)性、專業(yè)性和即時(shí)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(duì)中國的石墨烯研究和中國石墨烯產(chǎn)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(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目/國家出版基金叢書由石墨烯的基本性質(zhì)與表征技術(shù)、石墨烯的制備技術(shù)和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、石墨烯的分類應(yīng)用、石墨烯的發(fā)展現(xiàn)狀報(bào)告、石墨烯科普知識(shí)等五大部分共22分冊(cè)構(gòu)成，本書為第十二分冊(cè)。
2. 叢書由我國石墨烯研究領(lǐng)域的主要開拓者及我國石墨烯發(fā)展的重要推動(dòng)者、北京大學(xué)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(dān)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(jié)構(gòu)、特性、制備方法、化學(xué)修飾與功能化、微結(jié)構(gòu)調(diào)控、組裝技術(shù)以及組裝體在能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存等方面的應(yīng)用。
3.全書采用80克雅質(zhì)紙，彩色印刷，清晰直觀地展現(xiàn)了石墨烯的結(jié)構(gòu)、模擬及表征結(jié)果。
戰(zhàn)略前沿新材料——石墨烯出版工程書目：
01-石墨烯的結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)
02-石墨烯的結(jié)構(gòu)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(shù)
05-石墨烯的化學(xué)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(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ)：計(jì)量
08-石墨烯電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)
09-石墨烯超級(jí)電容器
10-石墨烯微電子與光電子器件
11-石墨烯透明導(dǎo)電薄膜與柔性光電器件
12-石墨烯膜材料與環(huán)保應(yīng)用
13-石墨烯基傳感器件
14-石墨烯宏觀材料及應(yīng)用
15-石墨烯復(fù)合材料
16-石墨烯生物技術(shù)
17-石墨烯化學(xué)與組裝技術(shù)
18-功能化石墨烯材料及應(yīng)用
19-石墨烯粉體材料：從基礎(chǔ)研究到工業(yè)應(yīng)用
20-全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告
21-中國石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報(bào)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(jìn)程的快速推進(jìn),人類活動(dòng)對(duì)水體、土壤和空氣的影響范圍與強(qiáng)度不斷增大,全球性環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。水體污染和凈水資源短缺已經(jīng)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(nèi)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(shí)刻威脅著人類的身體健康。
納米技術(shù)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(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、力學(xué)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(nóng)業(yè)領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。鑒于此,本書著者基于國內(nèi)外研究人員對(duì)石墨烯基材料在膜法水處理、農(nóng)業(yè)、氣體檢測及顆粒物過濾等領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,結(jié)合本課題組多年的研究成果,撰寫本書,期望對(duì)從事本領(lǐng)域研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的相關(guān)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(duì)土壤中重金屬的吸附、氧化石墨烯的殺菌性及應(yīng)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(nèi)容,其中部分?jǐn)?shù)據(jù)源于著者的研究成果,同時(shí)查閱和參考了大量中外文獻(xiàn)。
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(lǐng)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(qǐng)讀者和相關(guān)專家予以批評(píng)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(jì)算005
1.1.3 多孔石墨烯膜的實(shí)驗(yàn)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(zhì)特性018
1.3.1 水和離子傳輸性質(zhì)018
1.3.2 傳質(zhì)機(jī)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(jié)構(gòu)的調(diào)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(fù)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(xiàn)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(jié)構(gòu)和制備073
2.1.3 高分子膜的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)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(diǎn)084
2.2.3 GO 與其他納米材料的復(fù)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(xiàn)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(jià)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(jī)污染116
3.3 抗氯性能121
3.3.1 膜氯化的概念、機(jī)理和影響121
3.3.2 氧化石墨烯涂層提高膜抗氯性能的機(jī)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(xiàn)131
第4章 氧化石墨烯對(duì)植物生長的影響135
4.1 納米顆粒和CNT 對(duì)植物生長的作用138
4.1.1 氧化物納米顆粒對(duì)植物生長的作用138
4.1.2 金屬納米顆粒對(duì)植物生長的作用138
4.1.3 CNT 對(duì)植物生長的作用140
4.2 氧化石墨烯在水培條件下對(duì)植物生長的作用142
4.3 氧化石墨烯在土培條件下對(duì)植物生長的作用155
4.4 石墨烯在緩控釋化肥方面的應(yīng)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(xiàn)175
第5章 氧化石墨烯對(duì)環(huán)境中重金屬的作用179
5.1 水體中GO 對(duì)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(duì)金屬的吸附能力及吸附機(jī)制185
5.1.3 金屬對(duì)水體中GO 的絮凝作用201
5.2 GO 對(duì)植物吸收金屬的影響205
5.2.1 水培條件下GO 對(duì)植物吸收金屬的影響206
5.2.2 土培條件下GO 對(duì)重金屬形態(tài)分布及植物吸收重金屬的
影響212
參考文獻(xiàn)217
第6章 氧化石墨烯的殺菌性能及其應(yīng)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(jī)制225
6.2 氧化石墨烯對(duì)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(lǐng)域的應(yīng)用229
參考文獻(xiàn)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(jìn)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(xiàn)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(kuò)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(yīng)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(xì)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(xì)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(biāo)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(jié)構(gòu)的GO/聚丙烯腈復(fù)合材料288
參考文獻(xiàn)303
第9章 石墨烯在個(gè)體防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)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(hù)織物311
9.2.2 疏水織物312
9.2.3 導(dǎo)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(xiàn)315
第十章 石墨烯材料的環(huán)保應(yīng)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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