多孔石墨烯的制备及其对有机污染物的吸附性能

论文总字数：9574字

摘 要

石墨烯是一种由 sp²杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维碳质新材料，具有比表面积大、电子迁移率高和化学稳定性强等特性。因此石墨烯被预测将在电子、传感、催化、生物医学等领域得到广泛应用。近年来，石墨烯材料在环境治理领域引起了广泛的关注和研究。本文以氧化石墨为原料，通过冷冻干燥、高温退火等一系列处理步骤，成功制备多孔石墨烯材料，并对制备的多孔石墨烯进行了扫描电子显微镜和比表面分析，确定了多孔石墨烯的微观形貌。制备的多孔石墨烯比表面积高达328.4 m²/g。在此基础上，我们以4-硝基酚为模型，研究了多孔石墨烯对有机小分子的吸附性能，发现其对极性有机分子具有很强的吸附性能，最佳吸附条件的探索有待进一步研究。

关键词：石墨烯，吸附，有机物，4-硝基酚

Abstract：Graphene—a kind of new two-dimensional material composed of sp² hybridized carbon atoms are densely packed into a honey-comb lattice structure with six-membered rings, —is now well known for its unique and excellent properties, such as large surface area, high electron mobility and high chemical stability. Therefore, it is predicted that graphene can be widely used in electronics, sensing, catalysis, biomedicine. In recent years, graphene has attracted attention in the field of environmental treatment. In this paper, porous graphene was synthesized via lyophilization and thermal annealing. Then the microstructure was characterized by scan electron microscope and specific surface area analyzer. The specific surface area of porous graphene is up to 328.4 m²/g. Using 4-nitrophenol as target molecule, the adsorption properties of porous graphene was investigated in detail. The results show that porous graphene is an excellent adsorbent for polar ogranic compounds.

Keywords: graphene, adsorption, organic compound, 4-nitrophenol

目 录

１ 前言　 3

1.1石墨烯的简介 3

1.2石墨烯的制备方法 4

1.3 石墨烯的吸附性能 4

1.4 石墨烯的发展前景 4

2 实验部分 5

2.1仪器和试剂 5

2.2实验步骤 5

2.2.1氧化石墨的制备 5

2.2.2多孔石墨烯的制备 5

2.2.3多孔石墨烯对水中有机物的吸附 5

3 结果与讨论 6

3.1 多孔石墨烯的合成与表征 6

3.2 多孔石墨烯对4-硝基酚的吸附性能 7

3.2.1时间对多孔石墨烯吸附性能的影响 7

3.2.2 pH值对多孔石墨烯吸附性能的影响 8

3.2.3吸附剂用量对多孔石墨烯吸附性能的影响 9

结论 10

参考文献 11

致谢 12

1 前言

在近20年中，碳材料家族引起了各国研究人员的极大兴趣。自富勒烯和碳纳米管相继被科学家发现以来，三维的金刚石、石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒烯球组成了整个的碳元素材料家族^[1]。独缺典型的二维碳材料，所以，一直以来如何制备二维的碳材料是碳材料研究领域的热点。在石墨烯发现以前，多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。直到2004 年，英国曼彻斯特大学的 Geim 和 Novoselov 等用胶带剥离石墨晶体首次获得了石墨烯^[2]，由于在此领域的开创性工作二者荣获了 2010 年诺贝尔物理学奖。石墨烯可以卷曲变成零维的富勒烯，一维的碳纳米管，堆叠成三维的石墨。石墨烯物理化学性质独特，是目前世界上最坚固的材料之一，理论比表面积高达2630 m²/g，具有良好的导热性和室温下高速的电子迁移率[200000cm²/( V·s)]，被广泛应用于电子器件、催化、传感器、储能等领域^[3,4]。同时，用于制备石墨烯及其复合材料的石墨来源广泛，石墨烯及其复合材料，相比碳纳米管，价格较低廉，制备过程简单，许多学者开始研究石墨烯及其复合材料在污水处理中的应用。

图 1 石墨烯及其衍生物的结构示意图

1.1 石墨烯的简介

石墨烯是由sp²杂化的碳原子组成的单原子层厚度的二维片状材料。自从2004年实验上首次发现以，由于其独特的电学、光、力学、热学、电化学性质，石墨烯倍受物理学家和化学家的青睐。与石墨和碳纳米管相比，石墨烯在电化学应用方面显示了诸多优势。石墨烯拥有比石墨大得多的比表面积2630m²/g，石墨烯的电子传导性能也比石墨优异。与石墨相比，而石墨烯柔软，易于弯曲，这有利于其在柔性电子器件和能量存储器件领域的应用。石墨烯修饰的电极拥有比石墨分布更均匀的的电化学活性位点，其电化学性能与碳纳米管类似。石墨烯常温下的电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，因此被期待可用来制作微型化、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管，也可以用来制造触控屏幕、甚至是太阳能电池。

1.2石墨烯的制备方法

近年来，很多学者都在致力于探索单层石墨烯的制备方法，特别是宏量制备较具有稳定结构石墨烯的途径，以便系统地研究这种新型材料的物化性质和可能的应用。但到目前为止，石墨烯的制备依然没有得到根本性的突破，目前有关石墨烯的制备方法有许多，通常分为物理方法和化学方法^[5]。物理方法是以廉价的石墨或膨胀的石墨为原料，通过微机械剥离法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯，此法原料易得，操作相对简单，合成的石墨烯纯度高、缺陷少，但费时、产率低，不适于大规模生产。化学方法最早是以苯环或其他芳香体系为核，通过多步偶联反应取代苯环或大芳香环上6个，循环往复，使芳香体系变大，得到一定尺寸的平面结构的石墨烯。2006年Stankovich等首次用肼还原石墨烯氧化物(graphene oxide, 以下简称 GO)，脱除其中的含氧基团从而恢复单层石墨的有序结构(氧化−还原法)，在此基础上人们不断加以改进，使得氧化−还原法成为最具有潜力和发展前途的合成石墨烯及其材料的方法。除此之外，石墨烯的制备方法还有晶体外延生长、加热SiC法、化学气相沉积法、碳纳米管或富勒烯转换法等。本文通过改进的Hummers方法制得氧化石墨，经过透析、冷冻干燥、高温退火等过程制得石墨烯。

1.3 石墨烯的吸附性能

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