论文部分内容阅读
石墨烯是碳原子以sp~2杂化形式紧密排列形成的单层二维结构材料,其独特的光学、电学、热学、力学和化学性质受到广泛关注和研究,并赋予其在诸多领域具有广泛的应用前景。然而石墨烯片层间强的π-π相互作用和范德华力,使其容易发生堆叠和团聚,限制了二维石墨烯的应用范围。而三维石墨烯的三维结构,具有一定的强度,能够避免片层间的团聚,兼具有巨大的表面积、较高的孔隙率等特性,较二维石墨烯应用前景更为广阔。特别是污水处理方面,三维石墨烯用作吸附材料具有很多优势。本文采用冷冻干燥辅助水热法制备三维部分还原氧化石墨烯(3DrGO),研究了制备工艺对3DrGO的影响及3DrGO的吸附性能,分析了其三维交联结构的形成,并对其改性处理进行探究。具体内容和结论如下:(1)分别采用改进的Hummers法、冷冻干燥辅助水热法制备得到了 GO以及3DrGO,并对制备工艺进行了优化。采用多种分析测试技术表征了 3DrGO的结构、成分及亲疏水性等。实验结果表明,制备GO时,中温氧化反应时间为4h左右制备效果最优。中温氧化反应时间过短,人造石墨的利用率较低;反应时间过长,反应液易粘结成块,影响下一步反应。三维结构的形成受水热反应和冷冻干燥的影响。使用浓度越高的GO胶体水溶液进行水热反应,临界成形时间越短、强度越高。水热反应时间越长、温度越高水凝胶的体积越小。(2)研究了 3DrGO在水热反应过程中形成的有一定有序性的三维交联结构。结果表明,3DrGO有一定有序性的交联结构是在水热过程中形成的,冷冻干燥法阻碍了表面张力对水凝胶三维结构的破坏,降低了片层之间团聚、重聚的现象,维持了三维网络结构,使得3DrGO得以形成。(3)研究了 3DrGO对甲基橙(MO)的吸附性能,以及浓度、温度、接触时间、pH等因素对吸附性能的影响,绘制了等温吸附曲线以及动力学曲线,并进行了模型拟合、探讨了吸附机理。实验结果表明,3DrGO对MO的最大吸附量在 293K、313K、333K 时分别为～165mg/g、～179mg/g、～204 mg/g,且优于碳纳米管的吸附量。等温曲线拟合结果表明较Freundlich模型等温曲线,吸附过程更符合Langmuir模型,说明3DrGO对MO的吸附是单分子层的物理吸附。在实验温度范围内,随着温度升高,最大吸附量升高,说明温度升高有利于吸附的进行。接触时间对吸附影响的实验结果表明,3DrGO可以在400～800 min达到吸附平衡。动力学拟合结果显示,3DrGO对MO的吸附符合为二级动力学模型。在不同的MO初始浓度下,pH升高时,3DrGO对MO的吸附量均有所下降。使用真空电炉对其进行高温热处理,使其还原得到3DGN,探索高温热处理对吸附性能的影响。实验结果表明,经过高温处理之后,得到3DGN,亲水基团被去除,样品由亲水性变为疏水性。由于对水的浸润性降低,3DGN对MO几乎不吸附,但对汽油的吸附性能较好,饱和吸附量在138.44 g/g,与碳纳米管海绵的吸附量相当。