三維石墨烯的制備及其吸附性能的研究.pdf

1、石墨烯是碳原子以sp2雜化形式緊密排列形成的單層二維結(jié)構(gòu)材料，其獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)受到廣泛關(guān)注和研究，并賦予其在諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而石墨烯片層間強(qiáng)的π-π相互作用和范德華力，使其容易發(fā)生堆疊和團(tuán)聚，限制了二維石墨烯的應(yīng)用范圍。而三維石墨烯的三維結(jié)構(gòu)，具有一定的強(qiáng)度，能夠避免片層間的團(tuán)聚，兼具有巨大的表面積、較高的孔隙率等特性，較二維石墨烯應(yīng)用前景更為廣闊。特別是污水處理方面，三維石墨烯用作吸附材料具有很多

2、優(yōu)勢(shì)。
　　本文采用冷凍干燥輔助水熱法制備三維部分還原氧化石墨烯(3DrGO)，研究了制備工藝對(duì)3DrGO的影響及3DrGO的吸附性能，分析了其三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成，并對(duì)其改性處理進(jìn)行探究。具體內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)分別采用改進(jìn)的Hummers法、冷凍干燥輔助水熱法制備得到了GO以及3DrGO，并對(duì)制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化。采用多種分析測(cè)試技術(shù)表征了3DrGO的結(jié)構(gòu)、成分及親疏水性等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備GO時(shí)，中溫氧化反應(yīng)時(shí)間

3、為4h左右制備效果最優(yōu)。中溫氧化反應(yīng)時(shí)間過(guò)短，人造石墨的利用率較低;反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，反應(yīng)液易粘結(jié)成塊，影響下一步反應(yīng)。三維結(jié)構(gòu)的形成受水熱反應(yīng)和冷凍干燥的影響。使用濃度越高的GO膠體水溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)，臨界成形時(shí)間越短、強(qiáng)度越高。水熱反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)、溫度越高水凝膠的體積越小。
　　(2)研究了3DrGO在水熱反應(yīng)過(guò)程中形成的有一定有序性的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，3DrGO有一定有序性的交聯(lián)結(jié)構(gòu)是在水熱過(guò)程中形成的，冷凍干燥法阻礙了表面

4、張力對(duì)水凝膠三維結(jié)構(gòu)的破壞，降低了片層之間團(tuán)聚、重聚的現(xiàn)象，維持了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得3DrGO得以形成。
　　(3)研究了3DrGO對(duì)甲基橙(MO)的吸附陛能，以及濃度、溫度、接觸時(shí)間、pH等因素對(duì)吸附性能的影響，繪制了等溫吸附曲線(xiàn)以及動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)，并進(jìn)行了模型擬合、探討了吸附機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3DrGO對(duì)MO的最大吸附量在293K、313K、333K時(shí)分別為～165mg/g、～179mg/g、～204mg/g，且優(yōu)于碳納米管的吸

5、附量。等溫曲線(xiàn)擬合結(jié)果表明較Freundlich模型等溫曲線(xiàn)，吸附過(guò)程更符合Langmuir模型，說(shuō)明3DrGO對(duì)MO的吸附是單分子層的物理吸附。在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，最大吸附量升高，說(shuō)明溫度升高有利于吸附的進(jìn)行。接觸時(shí)間對(duì)吸附影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3DrGO可以在400～800min達(dá)到吸附平衡。動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果顯示，3DrGO對(duì)MO的吸附符合為二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。在不同的MO初始濃度下，pH升高時(shí)，3DrGO對(duì)MO的吸附量均有所下