CN113600128A - 一种基于多层石墨烯的复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多层石墨烯的复合材料及其制备方法与应用，该基于多层石墨烯的复合材料是多层石墨烯通过高分子材料负载于活性碳上的混合物；其制备方法是将多层石墨烯分散高分子材料溶液中制得多层石墨烯分散液，然后将活性炭置于所述多层石墨烯分散液中浸渍2～4h制得初始复合材料，再将所述初始复合材料于100～150℃真空环境下活化2～4h，从而即制得所述基于多层石墨烯的复合材料。本发明能够实现对低浓度VOC进行快速、高效的吸附，有效解决了现有吸附剂对含有低浓度空气污染物的室内环境去除效果不明显、不彻底、吸附速率慢等技术问题，而且制备工艺简单、成本低廉、不产生二次污染、在一定条件下可以再生重复使用。

Description

一种基于多层石墨烯的复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，尤其涉及一种基于多层石墨烯的复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
目前，室内装潢使用的涂料、地板、家具等产品很多都会释放一些低浓度的苯系物、甲醛、VOC(Volatile Organic Compounds，挥发性有机化合物)等空气污染物，而且这些空气污染物会持续释放很长一段时间(大概两到四个月，有的甚至更长)，这些低浓度空气污染物短时间内不会对人体造成太大伤害，但如果长时间生活在这样的环境中，那么就会对人体造成一些不可逆的损害。
由于这些空气污染物释放的浓度低，无色且基本无味，所以很难察觉出来。目前通常采用传统活性炭作为吸附剂对室内装潢产生的这些空气污染物进行去除，但传统活性炭只针对这些空气污染物浓度较高的环境有很好的去除效率，而针对含有低浓度空气污染物的室内环境去除效果不明显、不彻底，且吸附速率慢。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于多层石墨烯的复合材料及其制备方法与应用，以解决现有技术中存在的上述技术问题。本发明能够实现对低浓度VOC(所述低浓度VOC是指浓度为0.65～3mg/m3的VOC)进行快速、高效的吸附，有效解决了现有吸附剂对含有低浓度空气污染物的室内环境去除效果不明显、不彻底、吸附速率慢等技术问题，能够大幅提高新风系统处理空气污染物的效率，而且制备工艺简单、成本低廉、不产生二次污染、在一定条件下可以再生重复使用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于多层石墨烯的复合材料，该基于多层石墨烯的复合材料是多层石墨烯和活性炭的混合物，并且多层石墨烯通过高分子材料负载于活性碳上。
优选地，所述多层石墨烯占所述复合材料总质量的0.5wt％～5wt％。
优选地，所述高分子材料为聚乙烯醇、聚氨酯、硅烷偶联剂、羧甲基纤维素中的至少一种。
优选地，所述活性炭为立方砖形蜂窝炭。
一种基于多层石墨烯的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将多层石墨烯分散在高分子材料溶液中，从而制得多层石墨烯分散液；
步骤2、将活性炭置于所述的多层石墨烯分散液中浸渍2～4h，从而制得初始复合材料；
步骤3、将所述的初始复合材料于100～150℃真空环境下活化2～4h，从而制得上述的基于多层石墨烯的复合材料。
优选地，所述多层石墨烯分散液中多层石墨烯的质量百分数为0.25wt％～1.5wt％。
优选地，所述高分子材料溶液中高分子材料的浓度为0.25wt％～1.5wt％。
优选地，在步骤2中，将活性炭置于所述的多层石墨烯分散液中浸渍2～4h后，取出烘干，从而制得初始复合材料。
一种基于多层石墨烯的复合材料的应用，将上述的基于多层石墨烯的复合材料用于吸附VOC。
优选地，所述VOC的浓度为0.65～3mg/m3。
与现有技术相比，本发明所提供的基于多层石墨烯的复合材料中多层石墨烯通过高分子材料负载于活性碳表面，它是利用高分子材料来承载多层石墨烯，并且这些高分子材料在活性碳上形成高分子聚合物薄膜，该高分子聚合物薄膜未堵塞活性炭的孔隙，而且该高分子聚合物薄膜自身具有良好的吸附性能，而多层石墨烯本身具有良好的吸附性能和可再生性，附着在活性炭表面丰富了活性炭的微孔结构，从而大幅提高了对VOC等空气污染物的吸附能力，不仅能够实现对室内低浓度的VOC等空气污染物进行快速、高效的吸附，有效解决了现有吸附剂对低浓度空气污染物去除效果不明显、不彻底、吸附速率慢等技术问题，而且制备工艺简单、成本低廉、不产生二次污染、在一定条件下可以再生重复使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为传统活性炭、本发明实施例1所制得的基于多层石墨烯的复合材料、本发明实施例2所制得的基于多层石墨烯的复合材料的吸附效率对比图。
图2为本发明实施例1所制得的基于多层石墨烯的复合材料的扫描电镜照片。
图3为本发明实施例2所制得的基于多层石墨烯的复合材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
术语“重量份”是表示多个组分之间的质量比例关系，例如：如果描述了X组分为x重量份、Y组分为y重量份，那么表示X组分与Y组分的质量比为x:y；1重量份可表示任意的质量，例如：1重量份可以表示为1kg也可表示3.1415926kg等。所有组分的重量份之和并不一定是100份，可以大于100份、小于100份或等于100份。除另有说明外，本文中所述的份、比例和百分比均按质量计。
当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
下面对本发明所提供的基于多层石墨烯的复合材料及其制备方法与应用进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过市售购买获得的常规产品。
(一)本发明提供了一种基于多层石墨烯的复合材料
本发明提供了一种基于多层石墨烯的复合材料，该基于多层石墨烯的复合材料是多层石墨烯和活性炭的混合物，并且多层石墨烯通过高分子材料负载于活性碳上。
具体地，该基于多层石墨烯的复合材料可以包括以下实施方案：
(1)所述多层石墨烯占所述复合材料总质量的0.5wt％～5wt％，这可以使复合材料有较好的吸附性能。
(2)所述多层石墨烯最好采用现有技术中的物理剥离法制得的石墨烯粉末，平均片层为2～8层，厚度为1～5纳米，片径为0.5～15微米，比表面积为20～500m2/g，这不仅可以保证该基于多层石墨烯的复合材料具有良好的吸附性能，而且成本低廉，具有良好的经济效益。
(3)所述高分子材料为聚乙烯醇、聚氨酯、硅烷偶联剂、羧甲基纤维素中的至少一种，这些高分子材料可以承载多层石墨烯，并且可以在活性碳上形成高分子聚合物薄膜，从而可以将多层石墨烯负载于活性碳上，而且这些高分子材料在形成高分子聚合物薄膜后本身就具有吸附性能，因此这可以提高复合材料的整体吸附性能。
(4)所述活性炭的形状最好为立方砖形蜂窝炭，并且蜂窝炭的蜂窝孔规格可以为3.0mm×3.0mm，也可以为1.5mm×1.5mm，最好为1.5mm×1.5mm，这可以使最终制得的基于多层石墨烯的复合材料的形状为立方砖形，形态更加稳定，不易坍塌，使用方便。所述活性炭为椰壳活性炭、木质活性炭、煤质活性炭、污泥活性炭中的至少一种，这不仅可以保证最终制得的基于多层石墨烯的复合材料具有良好的吸附性能，而且成本低廉，具有良好的经济效益。在实际应用中，所述活性炭可以采用现有技术中的耐水性椰壳活性碳砖，且该耐水性椰壳活性碳砖的蜂窝孔规格为1.5mm×1.5mm。
(二)本发明还提供了一种基于多层石墨烯的复合材料的制备方法
本发明提供了一种基于多层石墨烯的复合材料的制备方法，用于制备上述基于多层石墨烯的复合材料，可以包括以下步骤：
步骤A、按照以下重量份之比称取各原料：高分子材料0.25～1.5份、去离子水98.5～99.75份、多层石墨烯0.5～1.5份、活性碳9～13份；优选地，按照以下重量份之比称取各原料：高分子材料0.5～1份、去离子水99～99.5份、多层石墨烯1～1.5份、活性碳11～13份；在实际应用中，最好按照以下重量份之比称取各原料：高分子材料1份、去离子水99份、多层石墨烯1.5份、活性碳10.1356份。
步骤B、将所述高分子材料溶于所述去离子水中，从而制得0.25wt％～1.5wt％的高分子材料溶液。
步骤C、将多层石墨烯分散在步骤B所述高分子材料溶液中，从而制得0.25wt％～1.5wt％的多层石墨烯分散液。
步骤D、将活性炭置于步骤C所述多层石墨烯分散液中浸渍2～4h，取出后在60～100℃下烘干，从而制得初始复合材料。
步骤E、将步骤D所述初始复合材料于100～150℃真空环境下活化2～4h，从而制得上述的基于多层石墨烯的复合材料。
具体地，该基于多层石墨烯的复合材料的制备方法可以包括以下实施方案：
(1)所述高分子材料溶液中高分子材料的浓度为0.25wt％～1.5wt％，这可以配制出分散效果较佳的多层石墨烯分散液，而且形成的高分子材料薄膜不会堵塞活性炭的吸附通道；如果所述高分子材料溶液中高分子材料的浓度大于1.5wt％，那么高分子材料溶液形成的薄膜就会堵塞活性炭的吸附通道；如果所述高分子材料溶液中高分子材料的浓度小于0.25wt％，那么高分子材料溶液对于之后多层石墨烯分散液的分散效果不佳。在实际应用中，所述高分子材料溶液中高分子材料的浓度可以为0.25wt％、0.30wt％、0.35wt％、0.40wt％、0.45wt％、0.50wt％、0.55wt％、0.60wt％、0.65wt％、0.70wt％、0.75wt％、0.80wt％、0.85wt％、0.90wt％、0.95wt％、1.0wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％以及0.25wt％～1.5wt％之间的任一值。
(2)所述多层石墨烯分散液中多层石墨烯的质量百分数为0.25wt％～1.5wt％，这可以较好的将多层石墨烯负载在活性炭上；如果所述多层石墨烯分散液中多层石墨烯的质量百分数大于1.5wt％，那么多层石墨烯分散液不能较好的负载在活性炭表面上；如果所述多层石墨烯分散液中多层石墨烯的质量百分数小于0.25wt％，那么多层石墨烯分散液的浓度较低对活性炭的改性效果较弱。在实际应用中，所述多层石墨烯分散液中多层石墨烯的质量百分数可以为0.25wt％、0.30wt％、0.35wt％、0.40wt％、0.45wt％、0.50wt％、0.55wt％、0.60wt％、0.65wt％、0.70wt％、0.75wt％、0.80wt％、0.85wt％、0.90wt％、0.95wt％、1.0wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％以及0.25wt％～1.5wt％之间的任一值。
(3)在步骤D中，将活性炭置于所述多层石墨烯分散液中浸渍2～4h，从而可以较好的将多层石墨烯负载在活性炭上；如果将活性炭置于所述多层石墨烯分散液中浸渍的时间超过4h，那么多层石墨烯分散液将出现较为明显的沉降现象，不利于多层石墨烯均匀分散在活性炭表面；如果将活性炭置于所述多层石墨烯分散液中浸渍的时间小于2h，那么多层石墨烯分散液与活性炭反应不完全，影响改性效果。在实际应用中，将活性炭置于所述多层石墨烯分散液中浸渍的时间可以为2h、2.5h、3h、3.5h、4h以及2～4h之间的任一值。
(4)在步骤D中，将活性炭置于所述的多层石墨烯分散液中浸渍2～4h后，取出烘干，并且最好是在60～100℃下烘干，这可以在一定程度上将初始复合材料表面的水分烘干，避免这些水分对后续操作的真空设备造成破坏；如果烘干温度小于60℃，那么需要烘干很长时间，效率低下；如果烘干温度大于100℃，能耗过大。在实际应用中，烘干温度可以为60℃、70℃、80℃、90℃、100℃以及60～100℃之间的任一值。
(5)在步骤E中，将步骤D所述初始复合材料于100～150℃真空环境下活化2～4h，这可以获得吸附性能较好的复合材料；如果所述真空环境的温度小于100℃，那么复合材料中的水分难以较好的冲破高分子材料溶液形成的薄膜，影响复合材料的吸附性能；如果所述真空环境的温度大于150℃，那么会破坏活性炭的形状，导致外型坍塌；如果活化时间小于2h，那么无法确保复合材料中的水分被完全烘干；如果活化时间大于4h，那么过于浪费能源。在实际应用中，真空环境的温度可以为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃以及100～150℃之间的任一值，活化时间可以为2h、2.5h、3h、3.5h、4h以及2～4h之间的任一值。
(6)步骤E所制得的基于多层石墨烯的复合材料中，多层石墨烯最好占所述复合材料总质量的0.5wt％～5wt％，这可以使复合材料有较好的吸附性能。
(三)本发明所提供的复合材料和制备方法的有益效果
本发明所提供的基于多层石墨烯的复合材料的制备方法，首先以高分子材料溶液为溶剂制成多层石墨烯分散液，然后活性炭与该多层石墨烯分散液的进行复合，再进行烘干和活化，从而制得本发明所提供的基于多层石墨烯的复合材料；该基于多层石墨烯的复合材料对室内低浓度的空气污染物具有快速、高效的吸附性能。
本发明所提供的基于多层石墨烯的复合材料以活性炭作为载体。活性炭是一种无定形碳，其结构虽含有石墨微晶，但为乱层结构；活性炭主要由碳元素组成，但也含有氮、氧和硫等元素；活性炭本身没有极性，表面呈疏水性，表面容易发生氧化还原反应，使其表面产生多种官能团，如羧基、羰基等；活性炭材料以其高比表面积、发达的孔隙结构、广泛的原材料、廉价的成本在空气净化吸附剂领域广泛使用。
与现有技术相比，本发明所提供的基于多层石墨烯的复合材料及其制备方法与应用至少具有以下优点：
(1)本发明所提供的基于多层石墨烯的复合材料利用高分子材料作为多层石墨烯的载体，在活性碳上形成高分子聚合物薄膜，该高分子聚合物薄膜也具有吸附性能，而且该高分子聚合物薄膜未堵塞活性炭的孔径，这提高了对VOC等空气污染物的吸附能力。
(2)本发明所提供的基于多层石墨烯的复合材料中，多层石墨烯具有良好的吸附性能和可再生性，附着在活性炭表面丰富了活性炭的微孔结构，而且这种多层石墨烯价格低廉，成本很小，因此以低廉的成本提高了对VOC等空气污染物的吸附能力。
(3)本发明所提供的基于多层石墨烯的复合材料可用于快速吸附低浓度(浓度为0.65～3mg/m3)的VOC。本发明所提供的基于多层石墨烯的复合材料对室内低浓度的空气污染物具有快速、高效的吸附性能，不产生二次污染，而且制备工艺简单、价格低廉，在一定条件下可以再生重复使用。
(4)本发明所提供的基于多层石墨烯的复合材料的形状为立方砖形，形态稳定，不易坍塌，使用方便。
综上可见，本发明实施例能够实现对低浓度VOC进行快速、高效的吸附，有效解决了现有吸附剂对含有低浓度空气污染物的室内环境去除效果不明显、不彻底、吸附速率慢等技术问题，能够大幅提高新风系统处理空气污染物的效率，而且制备工艺简单、成本低廉、不产生二次污染、在一定条件下可以再生重复使用。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明提供的基于多层石墨烯的复合材料及其制备方法与应用进行详细描述。
实施例1
一种基于多层石墨烯的复合材料，其制备方法包括以下步骤：
步骤b1、将1g高分子材料溶于199g去离子水中，制得0.5wt％的高分子材料溶液。
步骤b2、取步骤b1所制得的高分子材料溶液108.9g，将1.1g多层石墨烯分散在所述高分子材料溶液中，从而制得1wt％的多层石墨烯分散液。
步骤b3、将9.79453g活性炭置于步骤b2所制得的多层石墨烯分散液中浸渍3h，取出后在80℃下烘干，从而制得初始复合材料。
步骤b4、将步骤b3所制得的初始复合材料于120℃真空环境下活化3h，从而制得基于多层石墨烯的复合材料，其扫描电镜照片(即SEM图)如图2所示。
实施例2
一种基于多层石墨烯的复合材料，其制备方法包括以下步骤：
步骤c1、将1g高分子材料溶于199g去离子水中，制得0.5wt％的高分子材料溶液。
步骤c2、取步骤c1所制得的高分子材料溶液105.1g，将1.6g多层石墨烯分散在所述高分子材料溶液中，从而制得浓度约为1.5wt％的多层石墨烯分散液。
步骤c3、将10.82081g活性炭置于步骤c2所制得的多层石墨烯分散液中浸渍3h，取出后在80℃下烘干，从而制得初始复合材料。
步骤c4、将步骤c3所制得的初始复合材料于120℃真空环境下活化3h，从而制得基于多层石墨烯的复合材料，其扫描电镜照片(即SEM图)如图3所示。
性能检测
分别以传统活性炭、本发明实施例1所制得的基于多层石墨烯的复合材料、本发明实施例2所制得的基于多层石墨烯的复合材料作为吸附剂，进行吸附性能实验，从而得到如图1所示的吸附效率对比图；具体实验操作为：在密闭空间中，当该密闭空间中VOC的初始浓度为2～3mg/m3时，只放入一种吸附剂，3分钟后对该密闭空间中VOC含量进行检测；实验结果表明，本发明实施例1至2对VOC的去除率均达到95％以上，且于4分钟左右完全去除，其吸附性能相较于未负载多层石墨烯的传统活性炭提高了约12％～15％，这说明本发明能够对低浓度VOC进行快速、高效的吸附，有效解决了传统活性炭对含有低浓度空气污染物的室内环境去除效果不明显、不彻底、吸附速率慢等技术问题。
综上可见，本发明实施例能够实现对低浓度VOC进行快速、高效的吸附，有效解决了现有吸附剂对含有低浓度空气污染物的室内环境去除效果不明显、不彻底、吸附速率慢等技术问题，能够大幅提高新风系统处理空气污染物的效率，而且制备工艺简单、成本低廉、不产生二次污染、在一定条件下可以再生重复使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于多层石墨烯的复合材料，其特征在于，该基于多层石墨烯的复合材料是多层石墨烯和活性炭的混合物，并且多层石墨烯通过高分子材料负载于活性碳上。
2.根据权利要求1所述的基于多层石墨烯的复合材料，其特征在于，所述多层石墨烯占所述复合材料总质量的0.5wt％～5wt％。
3.根据权利要求1或2所述的基于多层石墨烯的复合材料，其特征在于，所述高分子材料为聚乙烯醇、聚氨酯、硅烷偶联剂、羧甲基纤维素中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的基于多层石墨烯的复合材料，其特征在于，所述活性炭为立方砖形蜂窝炭。
5.一种基于多层石墨烯的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将多层石墨烯分散在高分子材料溶液中，从而制得多层石墨烯分散液；
步骤2、将活性炭置于所述的多层石墨烯分散液中浸渍2～4h，从而制得初始复合材料；
步骤3、将所述的初始复合材料于100～150℃真空环境下活化2～4h，从而制得上述权利要求1至4中任一项所述的基于多层石墨烯的复合材料。
6.根据权利要求5所述的基于多层石墨烯的复合材料的制备方法，其特征在于，所述多层石墨烯分散液中多层石墨烯的质量百分数为0.25wt％～1.5wt％。
7.根据权利要求5或6所述的基于多层石墨烯的复合材料的制备方法，其特征在于，所述高分子材料溶液中高分子材料的浓度为0.25wt％～1.5wt％。
8.根据权利要求5或6所述的基于多层石墨烯的复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤2中，将活性炭置于所述的多层石墨烯分散液中浸渍2～4h后，取出烘干，从而制得初始复合材料。
9.一种基于多层石墨烯的复合材料的应用，其特征在于，将上述权利要求1至4中任一项所述的基于多层石墨烯的复合材料用于吸附VOC。
10.根据权利要求9所述的基于多层石墨烯的复合材料的应用，其特征在于，所述VOC的浓度为0.65～3mg/m3。
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