三維石墨烯擁有豐富的孔隙結構和巨大的比表面積，這使其成為吸附污染物的理想材料。以處理污水中的重金屬離子為例，其內部的微孔、介孔和大孔相互連通，形成了復雜的網絡。當含有重金屬離子的污水流經三維石墨烯材料時，重金屬離子會被孔隙所捕獲，通過物理吸附作用被固定在材料表面 。如中南大學相關研究項目中，通過水熱自組裝法制備的三維多孔功能化石墨烯，對鉛（Pb2?）、鎘（Cd2?）等重金屬離子展現出有效的吸附能力。其對重金屬離子的吸附不僅依賴物理吸附，功能化基團與重金屬離子間的化學作用也增強了吸附效果，例如靜電相互作用促使帶正電的重金屬離子與帶負電的功能化基團緊密結合 。

　　在吸附有機污染物方面，三維石墨烯同樣表現優異。對于水中的有機染料，其大比表面積為染料分子提供了大量的吸附位點，分子間的范德華力使染料分子被吸附在三維石墨烯表面。一些研究表明，三維石墨烯對亞甲基藍等有機染料的吸附量可達數百毫克每克。在凈化空氣時，三維石墨烯可吸附甲醛、苯等揮發性有機化合物（VOCs）。其多孔結構能夠有效捕捉空氣中的這些有害分子，將其固定在材料內部，從而降低空氣中有害氣體的濃度。

　　光催化降解機制

　　三維石墨烯與光催化劑結合，可實現對污染物的光催化降解。在光催化體系中，三維石墨烯通常作為電子受體和傳輸介質 。以常見的 TiO?/ 三維石墨烯復合光催化材料用于廢水處理為例，當受到特定波長的光照射時，TiO?吸收光子能量產生電子 - 空穴對。由于三維石墨烯良好的導電性和電子遷移能力，TiO?產生的光生電子能夠快速轉移到三維石墨烯上，從而有效壓制電子 - 空穴對的復合 。空穴則留在 TiO?表面，與水或氫氧根離子反應生成具有強氧化性的羥基自由基（?OH）。這些羥基自由基能夠將水中的有機污染物氧化分解為二氧化碳和水等無害物質。在海水中有機污染物的處理研究中，基于三維石墨烯的光催化膜，通過快速真空冷凍干燥等工藝構建三維骨架多孔膜結構，為污染物進入膜骨架內提供更有效的擴散途徑，增加了光催化反應的活性，提高了光的利用率，增強了對有機污染物的降解效果 。

　　協同凈化機制

　　在實際環保應用中，三維石墨烯常與其他材料協同作用，進一步提升凈化效果。在處理城市污水時，將三維石墨烯與磁性納米顆粒復合，利用磁性納米顆粒的磁性，可實現材料在污水中的快速分離回收。當污水中存在多種污染物時，三維石墨烯一方面通過吸附作用去除部分污染物，另一方面與其他功能材料共同作用。如與分子印跡聚合物復合，利用分子印跡聚合物對特定有機污染物的特異性識別能力，結合三維石墨烯的吸附性能，實現對污水中微量有機污染物的有效去除 。在凈化空氣領域，三維石墨烯與活性炭等材料復合，活性炭的吸附性能與三維石墨烯的優勢互補，能夠更全方面地去除空氣中不同類型的污染物，提升空氣凈化效率。