石墨烯复合材料的制备及其对水体中重金属离子的吸附

论文总字数：10533字

摘 要

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，由于石墨烯材料的特殊性能使得石墨烯在各个领域得到广泛的应用。而石墨烯复合材料由于具有更优异的性能，使得其具有更加广阔的发展前景。本文以氧化石墨为原料，通过化学还原制备石墨烯-壳聚糖复合材料，进行了扫描电子显微镜和比表面分析，确定复合材料的微观形貌和结构。比表面分析显示，冷冻干燥后复合材料的比表面为80.4m²/g。探讨石墨烯-壳聚糖复合材料对水体中重金属离子的吸附作用，研究复合材料对重金属离子的最佳环境。

关键词：石墨烯，复合材料，铜离子，吸附

Abstract: Graphene is a kind of new material with carbon atom monolayer sheet-like structure, due to the unique properties and structure graphene have been widely used in various fields such as catalysis, biosensors and energy storage. Because their very attractive performance graphene-based composites will show much bright furture in these application areas. In this paper, using graphite oxide as raw material, graphene-chitosan composite was prepared by chemical reduction. The microstructure and morphology was characterized by scan electron microscope and specific surface ared analyzer. The reaults show that graphene-chitosan compsite has much pores with the BET surface area 80.4 m²/g after lyophilization. Using this composite as absorbent the absorption performance was investigated in detail to obtain the optimal conditions for the removal of heavy-metal ion in water.

Keywords: Graphene, composite materials, copper ion, adsorption

目 录

１ 前言　 3

1.1石墨烯的简介 3

1.1石墨烯的发现史 3

1.2石墨烯的制备方法 4

1.3 石墨烯的应用 4

1.4 石墨烯复合材料对水中重金属的吸附 5

2 实验部分 6

2.1仪器和试剂 6

2.2实验步骤 6

2.2.1氧化石墨的制备 6

2.2.2石墨烯-壳聚糖复合材料的制备 7

2.2.3铜离子标准工作曲线的绘制 7

2.2.3石墨烯-壳聚糖复合材料对水中铜离子的吸附 7

3 结果与讨论 7

3.1 石墨烯-壳聚糖复合材料的合成与表征 7

3.2 石墨烯-壳聚糖复合材料对铜离子的吸附性能 9

3.2.1铜离子标准工作曲线 9

3.2.2时间对复合材料吸附性能的影响 9

3.2.3 pH值对复合材料吸附性能的影响 10

3.2.4吸附剂用量对复合材料吸附性能的影响 11

结论 12

参考文献 13

致谢 14

1　前言

1.1　石墨烯的简介

石墨烯（Graphene）一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。直到2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，从而证实石墨烯可以稳定存在，二人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯^[1]是目前已知的最薄、最坚硬的材料 ，它几乎是完全透明的，透光率高达98%；导热系数为5300 W/(m·K)，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15 000 cm² /(V·s)，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-6 Ω·cm，为世上电阻率最小的材料。因此石墨烯被期待可用来制作更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯是一种透明、良好的导体，又具有优异的力学性能，所以也适合用来制造触控显示屏幕、太阳能电池。

图1.1　 石墨烯的结构图

1.2 石墨烯的发现历史

最初，科学家尝试用化学剥离法制备石墨烯^[2]。其原理是将某些原子或分子插层与石墨层间，得到石墨层间化合物。再经化学方法处理，以除去嵌入的原子或分子，从而得到石墨烯。由于得到的产物是泥浆状，以当时的技术手段很难进行物理、化学性质的分析，所以科学家并没有继续这方面研究。而2004年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子理工学院的两组物理团队共同合作，首先分离出单独石墨烯材料。他们将石墨片粘附在塑料胶带中，折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，撕开胶带，将石墨片减薄，最终可以得到仅由单层碳原子构成石墨烯^[3]。将石墨烯放置在镀有在一定厚度的氧化硅的硅片上，利用光波的干涉效应，可以很容易的在光学显微镜下找到石墨烯。这就是制备石墨烯的最早方法——微机械剥离法。2005年，同样曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子是无质量迪拉克费米子，以上研究成果引发一股研究石墨烯的热潮。

1.3　石墨烯的制备方法

由于石墨烯的电化学、力学、光学、磁学和热力学性能极好，国际上有越来越多的科学家参与到石墨烯的合成、性能与应用的研究中^[4]。自2004年石墨烯发现至今，在制备方面，石墨烯已经取得了长足的进步。目前制备石墨烯的方法主要包括液相法、化学气相沉积法、剖开碳纳米管法、外延生长、机械剥离法、电化学制备和有机合成等方法。今后研究的热点与难点是如何综合运用各种石墨烯制备方法的优势，解决石墨烯的不稳定和难分散的问题等。这也为今后石墨烯的制备提供了新思路开。

化学工作者目前大多采用氧化-还原法制备石墨烯，该方法成本低廉且容易实现，而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液。氧化-还原法首先将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨，经过超声分散制备成氧化石墨烯(GO)，再加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，从而得到石墨烯。Ruoff^[5]等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH₄)和水合肼等皆可除去氧化石墨烯的含氧基团。但氧化-还原法也存在致命的缺点，即制备的石墨烯存在一定的缺陷，如五元环、七元环等拓扑缺陷或存在-OH基团的结构缺陷，这些将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用，尤其实在电子器件领域的应用受到极大限制。

1.4 石墨烯的应用

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