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若干新型微/纳米复合材料的制备及应用研究

石微微  
【摘要】:新型微/纳米复合材料的制备及其作为吸附材料在污染物去除中的应用研究具有重要意义。石墨烯(graphene,G)是近年来备受关注的新型微/纳米材料,它是由sp2杂化的碳原子以正六边形排列形成的二维碳质新型材料。由于石墨烯材料具备比表面积高、导热性能突出和力学性能高、电子迁移率高等特点,在超级电容器、传感器、复合材料、药物传输等领域展现出优越的性能。尽管石墨烯大的比表面积使其有望成为优质的吸附材料,但其疏水性强、片层间易于团聚、表面功能性基团少是限制其广泛应用的关键。因此对石墨烯进行改性制备亲水性强、具有大量功能性基团的石墨烯基复合材料并考察其在吸附中的应用,具有重要的意义。磁性微/纳米材料可实现快速磁分离,将性能优良的Fe304磁性纳米材料与其它材料复合制备吸附材料是当前的研究热点。以具有高磁饱和值的介孔磁性Fe304纳米粒子为核,以具有高比表面积且孔径可调的多孔碳材料为壳制备复合材料,有望得到性能优异的磁性多孔吸附碳材料。论文建立了两种微/纳米吸附材料的制备方法并考察其应用。具体如下:(1)论文采用温和简便的方法,制备了石墨烯基金属离子吸附剂并考察其铜离子吸附性能。以石墨烯氧化物为原料,在碱性条件用水合肼对其进行还原合成了具有单层结构的石墨烯材料;以聚多巴胺作为连接剂,通过π-π作用与石墨烯复合,增强了石墨烯的亲水性能,且经过pDA衍生化的石墨烯在酸、碱、盐溶液中具有良好的分散性;以pDA为连接剂进一步引入金属离子配位化合物3-巯基丙酸(MPA),制备了G/pDA/MPA复合材料。考察了G/pDA/MPA对Cu2+的吸附性能,优化后的吸附条件为:饱和吸附时间为30min, Cu2+溶液最佳pH值为7.0。吸附动力学符合二阶函数,溶液离子强度不影响吸附量。在最优条件下,该材料对Cu2+溶液的吸附容量为1292.0 mg/g,吸附过程符合Freundlich吸附模型。(2)论文制备了磁性多孔碳材料吸附剂并考察了其染料吸附性能。首先采用溶剂热法制备具有高磁饱和值的介孔Fe304纳米磁核,通过溶胶-凝胶法水解正硅酸乙酯,在磁核外包覆Si02中间层(Fe3O4@SiO2)后进一步通过水热法炭化葡萄糖制得碳层,经ZnCl2化学活化法活化碳层致孔得到核-壳型磁性多孔碳材料(Fe3O4@SiO2@PC)。利用X射线粉末衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、磁滞回线、N2吸附-脱附等温线、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法表征了各合成步骤及所得材料性能。论文考察了材料制备关键致孔步骤中ZnCl2/磁性材料的质量比对所得材料性质的影响,确立了磁性多孔碳材料的最优合成条件。结果表明,Fe3O4@SiO2@PC磁性材料的比表面积为1730.2 m2g-1,磁饱和值为16.7 emu/g,可在4 min内实现快速磁分离。论文考察了所制备磁性多孔Fe3O4@SiO2@PC材料对有机染料亚甲基蓝(MB)吸附性能,考察了吸附动力学、吸附等温线和重复利用性能等,结果表明Fe3O4@SiO2@PC材料对MB的饱和吸附时间为40 min,吸附容量为316.5 mg/g,吸附过程符合Langmuir吸附模型,吸附剂可重复利用。


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