CN109502581A - 一种石墨烯基气凝胶的制备方法及其应用 - Google Patents

一种石墨烯基气凝胶的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及石墨烯气凝胶技术领域，为解决目前石墨烯气凝胶的制作方法成本较高，技术要求较高，不易控制的问题，提出了一种石墨烯基气凝胶的制备方法及其在吸附水中有机污染物上的应用，制备方法为：（1）制备氧化石墨烯GO；（2）制备氧化石墨烯负载零价铁粉末Fe0/rGO；（3）EDTA‑2Na、壳聚糖（CS）改性Fe0/rGO功能材料(Fe0/rGEC)的制备。本发明中所采用的原料来源丰富，价格低廉，工艺简单，环境友好，对人体无毒害作用。

Description

一种石墨烯基气凝胶的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及石墨烯气凝胶技术领域，具体涉及一种石墨烯基气凝胶的制备方法及应用。
背景技术
随着中国染料工业迅速发展，染料的应用范围逐渐拓宽，不仅用于装点服饰、美化生活和环境，它也可以作为化学工业中的一部分，已经成为其重要分支，染料大多是以化工产品合成的芳香类化合物，年产量很大，其中有10％-15％被排到废水中；染料的化学性质稳定，具有潜在的致癌作用，对人类以及生态环境造成了严重的威胁，因此，工业染料废水的处理及环境水体中燃料污染的降解去除受到人们的广泛关注，多种方法如吸附法、膜分离法、磁分离法、化学氧化法、生物法等已应用于废水中染料的去除，其中吸附法效果最好，应用广泛。传统的吸附剂存在吸附容量低、难分离等缺点，因此，新型吸附剂材料的开发与研制成为近年来的研究热点。
石墨烯是具有二维蜂窝状结构的新型碳材料，具有很高的机械强度，弹性，导热性，导电性，以及量子霍尔效应等，近年来引起了学术界和工业界的广泛关注。同时气凝胶是一种固体形态物质，世界上密度最小的固体。密度可达到3kg·m-3。一般常见的气凝胶为硅气凝胶，其最早由美国的Kistler在1931年制得。石墨烯气凝胶继承了石墨烯和气凝胶高比表面积、高孔隙率、高电导率以及良好的热导率和机械强度等优点。它突破了传统的零维、一维和二维石墨烯的应用限制，以其丰富的孔隙及连续的三维结构可直接应用于电池电极、吸附材料、催化剂载体、树脂复合材料等领域，并可提高复合材料性能，使其在学术领域引起了科研工作者的极大关注和研究。石墨烯气凝胶的制作方法有很多种，但是传统的方法制作成本较高，制作的技术要求较高，不易控制，提高了石墨烯气凝胶的制作难度，所以对于石墨烯气凝胶的制作方法需要进一步研究提高。
发明内容
为解决目前石墨烯气凝胶的制作方法成本较高，技术要求较高，不易控制的问题，本发明提出了一种石墨烯基气凝胶的制备方法及其在吸附水中有机污染物上的应用。本发明中所采用的原料来源丰富，价格低廉，工艺简单，环境友好，对人体无毒害作用。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯基气凝胶的制备方法为以下步骤：
(1)制备氧化石墨烯：
将石墨烯和NaNO3同时加入KMnO4和浓硫酸中进行氧化，反应完成后加入双氧水还原过量的KMnO4，最后过滤干燥得到氧化石墨烯产物。氧化石墨烯是一种新型二维碳纳米材料，具有超大的比表面积，表面有大量的含氧官能团，可以有效地吸附废水中的染料，已成为一种性能优异的新型吸附剂。
具体制备方法为：在干燥的烧杯中加入12～36mL 98％的浓硫酸，并将烧杯置于冰水浴中，然后加入0.5～1.5g石墨烯和0.25～0.75g无水NaNO3，强力搅拌下缓慢加入1.5～4.5g高锰酸钾，控制温度在20℃以下，搅拌2-3h，然后将烧杯置于35℃(±3℃)的恒温水浴中，升温至35℃后继续搅拌30min，将烧杯移置98℃的油浴中，在搅拌中连续加入去离子水，注意保证悬浮液温度不要超过100℃，保持搅拌15min，用70～210mL去离子水稀释上述悬浮液，然后加入适量30％的双氧水还原剩余的高锰酸钾以及生成的二氧化锰不溶物，使它们变成无色可溶的硫酸锰，在双氧水的处理下，悬浮液变成亮黄色，趁热过滤，并用HCl溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止，最后将滤饼真空烘干。
(2)制备氧化石墨烯负载零价铁粉末Fe0/rGO：
由上述制备的氧化石墨烯粉末超声分散在去离子水中，加入铁源FeSO4·7H2O和还原剂NaBH4，将零价铁负载到氧化石墨烯上，烘干得到磁性黑色粉末。
具体制备方法为：将氧化石墨烯分散于超纯水中，超声处理后待用，将稳定剂加入到硫酸亚铁乙醇溶液中搅拌，制备溶液A，将溶液A加入到超声后的氧化石墨烯分散液中，搅拌10-30min，在水浴温度为75-85℃加入硼氢化钠溶液，反应3-4h，将产物用无水乙醇洗涤若干次后干燥，优选在60℃下真空干燥，得到Fe0/rGO。
所述氧化石墨烯与稳定剂的质量比为1∶5～6。
所述稳定剂与硫酸亚铁的质量比为1∶0.4～0.7，作为优选，硫酸亚铁乙醇溶液的摩尔浓度为0.075～0.125mol·L-1。
作为优选，所述稳定剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸、十六烷基三甲基溴化铵中的一种。
硫酸亚铁与硼氢化钠的摩尔比为1∶3～7，作为优选，硼氢化钠溶液的摩尔浓度为0.75～1.25mol·L-1。
超声处理条件为40kHz、200W，超声时间为2-3小时。
反应结构式如下所示：
(3)EDTA-2Na、壳聚糖(CS)改性Fe0/rGO功能材料(Fe0/rGEC)的制备
制备方法为：将Fe0/rGO超声分散于去离子水中，加入乙二胺四乙酸二钠溶液，超声搅拌后加入壳聚糖的冰乙酸溶液，生成絮状水凝胶，洗涤至中性，经冷冻干燥后得功能材料Fe0/rGEC气凝胶，即石墨烯基气凝胶。
具体制备方法为：将Fe0/rGO与去离子水，超声处理后得到Fe0/rGO悬浮液；将乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)溶解于离子水中，加入Fe0/rGO悬浮液中搅拌2～3h，再将壳聚糖溶解到冰乙酸溶液中，分数次加入到述搅拌的溶液中，反应至絮状物不再增加为止，脱脂棉过滤，先用稀盐酸洗至酸性，然后用蒸馏水洗至中性，得到Fe0/rGEC水凝胶，经冷冻干燥后得功能材料Fe0/rGEC气凝胶，即石墨烯基气凝胶。
所述Fe0/rGO与乙二胺四乙酸二钠的质量比为1∶3-5。
所述Fe0/rGO与壳聚糖的质量比为1∶3-5。
作为优选，冰乙酸溶液的质量浓度为2～3％。
作为优选，制备方法中超声处理条件为40kHz、200W，超声时间为2-3小时。
作为优选，冷冻干燥温度为-50℃。
壳聚糖和氧化石墨烯的复合不仅抑制了氧化石墨烯的团聚倾向，且增强了壳聚糖的稳定性；EDTA-2Na改性剂增加了气凝胶的吸附活性位点，使得其在处理有机废水时的效率更高，速度更快；“吸附-降解”一体化，零价铁负载与氧化石墨烯，构成多个铁-碳微电解池，降解吸附于其表面的有机分子；零价铁的铁磁性使该材料更容易与废水分离，能够通过较为简单的方法实现分离效果，实现材料的重复使用性能。
反应结构式如下所示：
本发明所述的一种石墨烯基气凝胶的制备方法制备得到的石墨烯基气凝胶在吸附水中有机污染物上的应用。本发明合成出具有多重活性位点，高效吸附并水解水体中有机染料的石墨烯基气凝胶复合材料，特别是对废水中的染料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中所采用的原料来源丰富，价格低廉，工艺简单，环境友好，对人体无毒害作用。
附图说明
图1为实施例1中GO、CS、Fe0/rGO和Fe0/rGEC的红外光谱图；
图2为实施例2中GO、CS、Fe0/rGO和Fe0/rGEC的红外光谱图；
图3为实施例3中GO、CS、Fe0/rGO和Fe0/rGEC的红外光谱图；
图4为实施例1-3与对比例比对中性红吸附性能。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，实施例中所用原料均可市购或采用常规方法制备。
实施例1
(1)Hummers法制备氧化石墨烯GO
在干燥的烧杯中加入12mL 98％的浓硫酸，并将烧杯置于冰水浴中，然后加入0.5g石墨粉和0.25g无水NaNO3，强力搅拌下缓慢加入1.5g高锰酸钾，控制温度在20℃以下，搅拌2h，然后将烧杯置于35℃(±3℃)的恒温水浴中，升温至35℃后继续搅拌30min，将烧杯移置98℃的油浴中，在搅拌中连续加入去离子水，注意保证悬浮液温度不要超过100℃，保持搅拌15min，用70mL去离子水稀释上述悬浮液，然后加入适量30％的双氧水还原剩余的高锰酸钾以及生成的二氧化锰不溶物，使它们变成无色可溶的硫酸锰，在双氧水的处理下，悬浮液变成亮黄色，趁热过滤，并用HCl溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止，最后将滤饼真空烘干。
(2)液相还原法制备氧化石墨烯负载零价铁粉末Fe0/rGO
称取0.25gGO分散于125mL超纯水中，超声(40kHz、200W)处理2h，将1.25g聚乙烯吡咯烷酮加入到50mL浓度为0.075mol·L-1的硫酸亚铁乙醇溶液中搅拌，制备溶液A，将溶液A加入到超声分散后的GO溶液中，搅拌15min，在水浴温度为80℃的条件下，缓慢加入25mL浓度为1mol·L-1的硼氢化钠溶液，反应3h。将产物用无水乙醇洗涤3次，置于60℃下真空干燥，得到Fe0/rGO。
(3)EDTA-2Na、壳聚糖(CS)改性Fe0/rGO功能材料(Fe0/rGEC)的制备
取0.2g的Fe0/rGO和100mL去离子水，于超声清洗器中超声(40kHz、200W)2h，得浓度为2g·L-1Fe0/rGO悬浮液；称取0.6g乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)溶于去离子水中，充分溶解后加入Fe0/rGO悬浮液中搅拌3h，称取0.6g壳聚糖加入到质量浓度为2％冰乙酸溶液中，用玻璃棒搅拌加速其溶解，待壳聚糖在冰乙酸溶液中充分溶解后，缓慢加入正在搅拌的上述溶液中，生成絮状物不再增加为止，脱脂棉过滤，先用稀盐酸洗至酸性，然后用蒸馏水洗至中性，得到Fe0/rGEC水凝胶，经冷冻(-50℃)干燥后得功能材料Fe0/rGEC气凝胶，即一种石墨烯基气凝胶。
实施例2：
(1)Hummers法制备氧化石墨烯GO
在干燥的烧杯中加入24mL 98％的浓硫酸，并将烧杯置于冰水浴中，然后加入1g石墨粉和0.5g无水NaNO3，强力搅拌下缓慢加入3g高锰酸钾，控制温度在20℃以下，搅拌2.5h，然后将烧杯置于35℃(±3℃)的恒温水浴中，升温至35℃后继续搅拌30min，将烧杯移置98℃的油浴中，在搅拌中连续加入去离子水，注意保证悬浮液温度不要超过100℃，保持搅拌15min，用140mL去离子水稀释上述悬浮液，然后加入适量30％的双氧水还原剩余的高锰酸钾以及生成的不溶物二氧化锰，使它们变成无色可溶的硫酸锰，在双氧水的处理下，悬浮液变成亮黄色，趁热过滤，并用HCl溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止，最后将滤饼真空烘干。
(2)液相还原法制备氧化石墨烯负载零价铁粉末Fe0/rGO
称取0.25g GO分散于125mL超纯水中，超声处理(40kHz、200W)2.5h，将1.39g十二烷基磺酸钠加入到50mL浓度为0.1mol·L-1的硫酸亚铁乙醇溶液中搅拌，制备溶液A，将溶液A加入到超声分散后的GO溶液中，搅拌15min，在水浴温度为85℃的条件下，缓慢加入25mL浓度为0.75mol·L-1的硼氢化钠溶液，反应4h。将产物用无水乙醇洗涤3次，置于60℃下真空干燥，得到Fe0/rGO。
(3)EDTA-2Na、壳聚糖(CS)改性Fe0/rGO功能材料(Fe0/rGEC)的制备
取0.2g的Fe0/rGO和100mL去离子水，于超声清洗器中超声(40kHz、200W)2.5h，得浓度为2g·L-1Fe0/rGO悬浮液；称取0.8g乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)溶于去离子水中，充分溶解后加入Fe0/rGO悬浮液中搅拌2.5h，称取1.0g壳聚糖加入到质量浓度为2.5％冰乙酸溶液中，用玻璃棒搅拌加速其溶解，待壳聚糖在冰乙酸溶液中充分溶解后，缓慢加入正在搅拌的上述溶液中，生成絮状物不再增加为止，脱脂棉过滤，先用稀盐酸洗至酸性，然后用蒸馏水洗至中性，得到Fe0/rGEC水凝胶，经冷冻(-50℃)干燥后得功能材料Fe0/rGEC气凝胶，即一种石墨烯基气凝胶。
实施例3：
(1)Hummers法制备氧化石墨烯GO
在干燥的烧杯中加入24mL 98％的浓硫酸，并将烧杯置于冰水浴中，然后加入1.5g石墨粉和0.75g无水NaNO3，强力搅拌下缓慢加入4.5g高锰酸钾，控制温度在20℃以下，搅拌3h，然后将烧杯置于35℃(±3℃)的恒温水浴中，升温至35℃后继续搅拌30min，将烧杯移置98℃的油浴中，在搅拌中连续加入去离子水，注意保证悬浮液温度不要超过100℃，保持搅拌15min，用210mL去离子水稀释上述悬浮液，然后加入适量30％的双氧水还原剩余的高锰酸钾以及生成的不溶物二氧化锰，使它们变成无色可溶的硫酸锰，在双氧水的处理下，悬浮液变成亮黄色，趁热过滤，并用HCl溶液和去离子水洗涤直到滤液中无硫酸根被检测到为止，最后将滤饼真空烘干。
(2)液相还原法制备氧化石墨烯负载零价铁粉末Fe0/GO
称取0.25g GO分散于125mL超纯水中，超声处理(40kHz、200W)3h，将1.5g聚丙烯酸加入到50mL浓度为0.125mol·L-1的硫酸亚铁乙醇溶液中搅拌，制备溶液A，将溶液A加入到超声分散后的GO溶液中，搅拌15min，在水浴温度为75℃的条件下，缓慢加入25mL浓度为1.25mol·L-1的硼氢化钠溶液，反应5h。将产物用无水乙醇洗涤4次，置于60℃下真空干燥，得到Fe0/rGO。
(3)EDTA-2Na、壳聚糖(CS)改性Fe0/rGO功能材料(Fe0/rGEC)的制备
取0.2g的Fe0/GO和100mL去离子水，于超声清洗器中超声(40kHz、200W)3h，得浓度为2g·L-1Fe0/rGO悬浮液；称取1.0g乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)溶于去离子水中，充分溶解后加入Fe0/rGO悬浮液中搅拌2h，称取0.8g壳聚糖加入到质量浓度为3％冰乙酸溶液中，用玻璃棒搅拌加速其溶解，待壳聚糖在冰乙酸溶液中充分溶解后，缓慢加入正在搅拌的上述溶液中，生成絮状物，脱脂棉过滤，先用稀盐酸洗至酸性，然后用蒸馏水洗至中性，得到Fe0/rGEC水凝胶，经冷冻(-50℃)干燥后得功能材料Fe0/rGEC气凝胶，即一种石墨烯基气凝胶。
测试例
1、GO、CS、Fe0/rGO和Fe0/rGEC的红外光谱图分析
图1-3分别为实施例1-3中GO、CS、Fe0/rGO和Fe0/rGEC的红外光谱图；从图中可以看出，GO的红外谱图在3437、1636、1727和1086cm-1处出现GO的O-H伸缩振动峰、C＝C骨架振动吸收峰、C＝O伸缩振动吸收峰和C-O伸缩振动峰，说明石墨烯被成功氧化；在Fe0/rGO的谱图中看出在560cm-1附近出现了Fe-O的特征吸收峰，说明铁被成功负载与石墨烯上；CS红外谱图上，3441、1646、1559、1416和1086cm-1处分别为N-H伸缩振动峰、-NHCO-官能团上C＝O伸缩振动峰、-NH2的N-H吸收峰、C-H吸收峰和C-O振动收缩吸收峰；GEC的红外图谱显示，3440、1636、1727和1086cm-1的GO特征峰存在，1559cm-1附近为EDTA-2Na上氨基的特征吸收峰，在1393cm-1处出现的新的吸收峰，表明GO以及EDTA-2Na的部分羧基和CS的氨基通过共价键结合，560cm-1附近为Fe-O的特征吸收峰。
2、吸附实验
吸附实验如下：称取实施例1-3制备的石墨烯基气凝胶及市售活性炭为对比例各0.02克，加入到装有25mL初始浓度为100mg·L-1的中性红染料溶液的50mL碘量瓶中，置于25℃、180r·min-1的恒温摇床中，每隔一段时间用分光光度法测定中性红溶液的剩余浓度。
实施例1～3分别制备的石墨烯基气凝胶以及对比例活性炭在同一条件下对它们的吸附性能进行研究，结果如图4所示，2.5小时后吸附降解达到平衡，不同质量配比的Fe0/rGEC以及活性炭平衡时的吸附降解率分别为84.4％、81.6％、92.6％、53.6％，由此可知，新制备的气凝胶具有良好的吸附降解功能。

Claims (9)

1.一种石墨烯基气凝胶的制备方法，其特征在于，所述的制备方法为以下步骤：
（1）制备氧化石墨烯；
（2）制备氧化石墨烯负载零价铁粉末Fe0/rGO；
（3）EDTA-2Na、壳聚糖改性Fe0/rGO功能材料(Fe0/rGEC)的制备。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯基气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（2）的制备方法为：将氧化石墨烯分散于超纯水中，超声处理后待用，将稳定剂加入到硫酸亚铁乙醇溶液中搅拌，制备溶液A，将溶液A加入到超声后的氧化石墨烯分散液中，搅拌，在水浴温度为75-85℃加入硼氢化钠溶液，反应3-5 h，将产物用无水乙醇洗涤若干次后干燥，得到Fe0/rGO。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯基气凝胶的制备方法，其特征在于，氧化石墨烯与稳定剂的质量比为1:5~6。
4.根据权利要求2所述的一种石墨烯基气凝胶的制备方法，其特征在于，稳定剂与硫酸亚铁的质量比为1：0.4~0.7。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种石墨烯基气凝胶的制备方法，其特征在于，所述稳定剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸、十六烷基三甲基溴化铵中的一种。
6.根据权利要求2所述的一种石墨烯基气凝胶的制备方法，其特征在于，硫酸亚铁与硼氢化钠的摩尔比为1：3~7。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯基气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（3）的制备方法为：将Fe0/rGO超声分散于去离子水中，加入乙二胺四乙酸二钠溶液，超声搅拌后加入壳聚糖的冰乙酸溶液，生成絮状水凝胶，洗涤至中性，经冷冻干燥后得功能材料Fe0/rGEC气凝胶，即石墨烯基气凝胶。
8.根据权利要求7所述的一种石墨烯基气凝胶的制备方法，其特征在于，Fe0/rGO、乙二胺四乙酸二钠、壳聚糖的质量比为1:3-5：3-5。
9.一种如权利要求1所述的一种石墨烯基气凝胶的制备方法制备得到的石墨烯基气凝胶在吸附水中有机污染物上的应用。
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