张文涛等：光-暗体系中石墨烯氧化物反应活性调控机制

在天然水环境中，碳基纳米材料广泛存在于有机质演化、燃烧产物及人为排放过程中，其表面结构复杂、反应活性强，对污染物迁移转化及元素地球化学循环具有重要影响。氧化石墨烯（GO）由于其富含氧官能团且结构可调，是研究碳基物质环境行为的理想模拟物。GO在环境过程中会经历还原、重构等演化，其表面氧官能团与结构缺陷往往共存并动态变化，使得不同活性位点在反应中的作用难以区分，导致其在水体中的氧化还原机制长期缺乏清晰认识。针对这一关键问题，研究团队通过热调控方法构建了不同还原程度的GO体系，以典型环境污染物As(III)为探针，系统解析GO结构演化与氧化反应之间的内在联系。

研究发现，GO在水环境中的反应模式并非单一，而是随结构演化发生显著转变。在含氧官能团占主导的中等氧化状态下，GO表现为典型的光驱动反应体系，主要通过促进“电子—空穴”分离并生成•OH等强氧化性物种，进而实现As(III)的氧化转化。在高度还原状态下，GO结构中大量空位缺陷形成，这些缺陷能够在无光条件下直接活化溶解氧，持续生成H2O2与•OH，实现对As(III)的高效氧化。结果表明，在地下水或深水等弱光环境中，缺陷富集的碳基物质仍可能持续驱动氧化过程。

反应机理分析显示，含氧官能团与结构缺陷分别对应两类反应路径。前者主要通过调控电子结构参与光化学过程，其作用方式类似天然有机质的光敏反应；后者则通过增强溶解氧的吸附与电子转移能力，构建起类似“类Fenton”的非光驱动氧化体系。电子顺磁共振及量化计算证明，•OH与H2O2是主导污染物转化的关键活性物种，而空位缺陷能够显著降低其生成能垒，从而在环境条件下维持ROS的持续供给。

上述认识对于理解碳基物质在地质环境系统中的化学行为具有的启示。在天然水环境中，碳质颗粒往往经历持续的氧化—还原循环，其表面官能团逐渐减少、缺陷逐步累积，这意味着其反应模式可能由光驱动逐步转向缺陷驱动的暗反应过程。这一转变将直接影响变价元素的价态转化及迁移行为，并可能重塑水体中变价元素的时空分布格局，从而对生态系统产生深远影响。

相关研究成果以Defect-functionality competition governing reactive oxygen chemistry in graphene oxide为题发表国际主流期刊Carbon（IF=11.6）。张文涛博士为第一作者，范桥辉研究员和梁建军助理研究员为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金青年基金（No. 42302190）和甘肃省青年基金（24JRRA093）的资助。

文章信息：

Zhang, Wentao, Bihong He, Jianjun Liang*, Zhuanhong Lu, Ping Li, Zhe Ding, Weichao Zhang, Huiyang Mei, Tao Wu, and Qiaohui Fan*, Defect-functionality competition governing reactive oxygen chemistry in graphene oxide. Carbon, 2026, 252, 121342. 

DOI：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121342

图1 光-暗体系中石墨烯氧化物反应活性物种的形成途径