三维石墨烯拥有丰富的孔隙结构和巨大的比表面积，这使其成为吸附污染物的理想材料。以处理污水中的重金属离子为例，其内部的微孔、介孔和大孔相互连通，形成了复杂的网络。当含有重金属离子的污水流经三维石墨烯材料时，重金属离子会被孔隙所捕获，通过物理吸附作用被固定在材料表面 。如中南大学相关研究项目中，通过水热自组装法制备的三维多孔功能化石墨烯，对铅（Pb²⁺）、镉（Cd²⁺）等重金属离子展现出有效的吸附能力。其对重金属离子的吸附不仅依赖物理吸附，功能化基团与重金属离子间的化学作用也增强了吸附效果，例如静电相互作用促使带正电的重金属离子与带负电的功能化基团紧密结合 。

　　在吸附有机污染物方面，三维石墨烯同样表现优异。对于水中的有机染料，其大比表面积为染料分子提供了大量的吸附位点，分子间的范德华力使染料分子被吸附在三维石墨烯表面。一些研究表明，三维石墨烯对亚甲基蓝等有机染料的吸附量可达数百毫克每克。在净化空气时，三维石墨烯可吸附甲醛、苯等挥发性有机化合物（VOCs）。其多孔结构能够有效捕捉空气中的这些有害分子，将其固定在材料内部，从而降低空气中有害气体的浓度。

　　光催化降解机制

　　三维石墨烯与光催化剂结合，可实现对污染物的光催化降解。在光催化体系中，三维石墨烯通常作为电子受体和传输介质 。以常见的 TiO₂/ 三维石墨烯复合光催化材料用于废水处理为例，当受到特定波长的光照射时，TiO₂吸收光子能量产生电子 - 空穴对。由于三维石墨烯良好的导电性和电子迁移能力，TiO₂产生的光生电子能够快速转移到三维石墨烯上，从而有效压制电子 - 空穴对的复合 。空穴则留在 TiO₂表面，与水或氢氧根离子反应生成具有强氧化性的羟基自由基（・OH）。这些羟基自由基能够将水中的有机污染物氧化分解为二氧化碳和水等无害物质。在海水中有机污染物的处理研究中，基于三维石墨烯的光催化膜，通过快速真空冷冻干燥等工艺构建三维骨架多孔膜结构，为污染物进入膜骨架内提供更有效的扩散途径，增加了光催化反应的活性，提高了光的利用率，增强了对有机污染物的降解效果 。

　　协同净化机制

　　在实际环保应用中，三维石墨烯常与其他材料协同作用，进一步提升净化效果。在处理城市污水时，将三维石墨烯与磁性纳米颗粒复合，利用磁性纳米颗粒的磁性，可实现材料在污水中的快速分离回收。当污水中存在多种污染物时，三维石墨烯一方面通过吸附作用去除部分污染物，另一方面与其他功能材料共同作用。如与分子印迹聚合物复合，利用分子印迹聚合物对特定有机污染物的特异性识别能力，结合三维石墨烯的吸附性能，实现对污水中微量有机污染物的有效去除 。在净化空气领域，三维石墨烯与活性炭等材料复合，活性炭的吸附性能与三维石墨烯的优势互补，能够更全方面地去除空气中不同类型的污染物，提升空气净化效率。