CN113603190B - 一种基于纳米原电池效应的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米原电池效应的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属(Cu/Fe/rGO)复合材料及其制备方法和应用。该Cu/Fe/rGO复合材料通过以下步骤制到:首先将石墨烯氧化物、二价铁盐和水合肼混合后进行还原反应制得石墨烯负载纳米零价铁复合材料;然后将石墨烯负载纳米零价铁与铜盐混合后进行置换反应,即可得到最终产物。本发明合成工艺简单,制备得到的Cu/Fe/rGO复合材料在吸附处理重金属过程中能够自发构筑完整的纳米级原电池(电动势约为:0.789V),大大增加电子的定向传递速率,提高重金属离子还原吸附去除效率,从而实现基于纳米原电池快速氧化还原反应特性的重金属高效、快速还原去除。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域,特别涉及一种基于纳米原电池效应的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
水环境中重金属污染具有长期性、累积性、潜伏性等特点,会严重危害生态环境和人类生命健康,以血铅、粮食铬为代表的涉重金属环境事件呈现多发频发态势。自国务院批复实施《重金属污染综合防治“十二五”规划》以来,重金属污染防治工作取得积极成效。尽管如此,我国重金属污染防控总体形势依然不容乐观,重点区域长期累积的重金属污染造成的环境风险隐患日益突出,部分重点区域地表水重金属超标问题仍较为突出,威胁群众健康和农产品质量安全,社会反映强烈。发展高毒性重金属高效去除新材料、新原理已成为水处理技术领域急需攻克的难关。
传统的重金属离子去除技术包括混凝沉淀法、吸附法、膜分离法、离子交换法、电化学法等,这些技术对水环境中重金属离子的去除主要是通过沉淀、离子交换、表面吸附、络合、拦截等物理化学作用,使得水中的重金属离子迁移至到材料表面,从而达到净化水体的效果,本质上来说仅仅是一种简单的离子迁移作用,重金属依然以高毒性离子态存在于材料表面,且极不稳定,后续处理中很容易脱附再次进入水环境或土壤中造成二次污染。因此亟需发展一种基于重金属还原、吸附相结合的新材料,将高毒性重金属转化成低毒或无毒的单质态进行吸附去除,解决重金属去除稳定性差、易脱附问题。
近年来纳米材料与技术的发展给重金属污染高效去除带来了革命性变化,而纳米级原电池效应的快速氧化还原反应特性能够大大增加重金属去除过程中电子传递速率,进一步提升重金属污染去除效率。通过在重金属吸附过程中建立完整的纳米级原电池回路,发展一种基于纳米原电池快速氧化还原反应特性的重金属还原去除新方法,将重金属离子快速还原成单质沉积在原电池正极,有望彻底解决重金属污染物重金属去除稳定性差、易脱附问题,实现高效、快速还原去除,具有重大的社会、经济和环境意义。
发明内容
针对现有技术存在的缺点与不足,本发明的目的是提供一种基于纳米原电池效应的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属(Cu/Fe/rGO)复合材料的制备方法,该Cu/Fe/rGO复合材料中石墨烯充当导体,铁和铜分别充当阴极与阳极,利用石墨烯和惰性金属铜的表面覆盖保护,可以克服纳米零价铁不稳定性及表面钝化现象。该材料在处理重金属过程中能产生纳米级原电池效应,能够快速将重金属离子吸附在正电位铜(阴极)表面,之后重金属离子得到电子而被还原为金属单质沉积在Cu极表面。通过将纳米原电池效应用于重金属去除研究,发展一种基于Cu/Fe/rGO复合材料纳米原电池快速氧化还原反应特性的重金属高效、快速去除新方法,为重金属污染的去除和治理提供一种全新的思路。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种基于纳米原电池效应的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属(Cu/Fe/rGO)复合材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤一、将石墨烯氧化物(GO)超声分散到水中,搅拌条件下滴加一定量的二价铁盐和水合肼,得到反应混合液,将反应混合液转移放入高压反应釜中进行还原反应;
步骤二、还原反应结束后对得到的产物进行抽滤洗涤,真空干燥,得到石墨烯负载纳米零价铁复合物(Fe/rGO);
步骤三、将Fe/rGO重新分散到水中,加入铜盐后将其转移至高压反应釜中进行置换反应;
步骤四、置换反应结束后对得到的产物进行抽滤洗涤,真空干燥,得到石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属(Cu/Fe/rGO)复合材料。
上述步骤二和步骤四中,通过采用真空干燥的方式能够防止产物氧化。
作为优选的技术方案,步骤一中,所述水合肼与二价铁盐的摩尔比为(10-3):1。进一步优选的,水合肼与二价铁盐的摩尔比可以为10:1、9:1、8:1、7:1、6:1、5:1、4:1或3:1。
作为优选的技术方案,步骤一中,所述还原反应的温度为100-180ºC,时间为12-24h。
作为优选的技术方案,步骤三中,所述铜盐与二价铁盐的摩尔比为1:(1-3)。进一步优选的,铜盐与二价铁盐的摩尔比为1:1、1:2或1:3。
作为优选的技术方案,步骤三中,所述置换反应的温度为100-180ºC,时间为12-24h。
最后,本发明还提供上述Cu/Fe/rGO复合材料在去除水中重金属离子的应用,所述石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属复合材料在吸附处理重金属离子过程中能够以铜为正极,铁为负极,石墨烯为“导线”(也可称为导体),自发构筑完整的纳米级原电池,显著增加电子的定向传递速率,提高重金属离子还原吸附去除效率,实现基于纳米原电池快速氧化还原反应特性的重金属高效、快速还原去除。该Cu/Fe/rGO复合材料可在3分钟内将水中初始浓度10mg/L左右的高毒性重金属离子还原成低毒或无毒单质态沉积在正极材料表面,去除率达到95%以上,从而实现高效快速还原去除。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)采用本发明的方法构筑基于纳米原电池效应的Cu/Fe/rGO复合材料用于重金属离子快速去除研究,通过形成纳米原电池效应(电动势约为:0.789V),大大增加电子的定向传递速率,提高重金属离子还原去除效率。
(2)本发明合成的Cu/Fe/rGO复合材料,纳米零价铁表面覆盖较惰性铜和石墨烯片,可以提高其抗氧化性,克服了纳米零价铁不稳定性的缺点。石墨烯除了作为“导线”连接阴、阳极构成单个纳米原电池,还能将大量的纳米原电池串联或并联起来,构建成网络状电池组,进一步增加电动势,达到重金属的去除效率最大化。
(3)本发明合成的Cu/Fe/rGO复合材料,能够将高毒性重金属离子还原成低毒或无毒单质态沉积在正极材料表面,解决了重金属去除稳定性差、易脱附问题。
(4)本发明所使用的合成方法及工艺简单易操作,适合于规模化工业生产,为发展基于纳米原电池效应的重金属快速还原处理技术了技术支撑。
附图说明
图1为实施例1制得的Cu/Fe/rGO复合材料的SEM形貌图;
图2为实施例1制得的Cu/Fe/rGO复合材料用于重金属离子去除性能的试验结果;
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同,本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。
实施例1
一种Cu/Fe/rGO复合材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤一、将1.0g石墨烯氧化物超声分散到100mL水中,500rpm搅拌条件下加入7.58g硫酸亚铁溶液和25mL水合肼,放入高压反应釜中120°C还原反应24h;
步骤二、将冷却后的产物抽滤洗涤,60°C真空干燥,得到Fe/rGO纳米复合物;
步骤三、将Fe/rGO重新分散到100mL水中,加入7.98g硫酸铜,放入高压反应釜中120°C置换反应24h;
步骤四、将冷却后的产物抽滤洗涤,60°C真空干燥,得到Cu/Fe/rGO复合材料。
对实施例1合成的Cu/Fe/rGO复合材料经扫描电子显微镜表征其形貌,如图1所示,可以看出片状结构rGO上成功负载了纳米零价铜铁双金属。通过重金属水样进行试验结果表明,Cu/Fe/rGO复合材料可在3分钟内将水中初始浓度10mg/L的高毒性重金属离子(铅、铬、汞离子)还原成低毒或无毒单质态沉积在正极材料表面,去除率达到95%以上,如图2所示,从而实现高效快速还原去除。
实施例2
一种Cu/Fe/rGO复合材料制备方法,包括以下步骤:
步骤一、将1.0g石墨烯氧化物超声分散到100mL水中,500rpm搅拌条件下加入9.00g硝酸亚铁溶液和25mL水合肼,放入高压反应釜中120°C还原反应24h;
步骤二、将冷却后的产物抽滤洗涤,60°C真空干燥,得到Fe/rGO纳米复合物;
步骤三、将Fe/rGO重新分散到100mL水中,加入9.38g硝酸铜,放入高压反应釜中120°C置换反应24h;
对实施例2合成的Cu/Fe/rGO复合材料,通过重金属水样进行试验结果表明,Cu/Fe/rGO复合材料可在3分钟内将水中初始浓度10mg/L的高毒性重金属离子(铅、铬、汞)还原成低毒或无毒单质态沉积在正极材料表面,去除率达到90%以上,从而实现高效快速还原去除。
实施例3
一种Cu/Fe/rGO复合材料制备方法,包括以下步骤:
步骤一、将1.0g石墨烯氧化物超声分散到100mL水中,500rpm搅拌条件下加入6.34g氯化亚铁溶液和25mL水合肼,放入高压反应釜中120°C还原反应24h;
步骤二、将冷却后的产物抽滤洗涤,60°C真空干燥,得到Fe/rGO纳米复合物;
步骤三、将Fe/rGO重新分散到100mL水中,加入6.72g氯化铜,放入高压反应釜中120°C置换反应24h;
对实施例3合成的Cu/Fe/rGO复合材料,通过重金属水样进行试验结果表明,Cu/Fe/rGO复合材料可在3分钟内将水中初始浓度10mg/L的高毒性重金属离子(铅、铬、汞)还原成低毒或无毒单质态沉积在正极材料表面,去除率达到95%以上,从而实现高效快速还原去除。
实施例4
一种Cu/Fe/rGO复合材料制备方法,包括以下步骤:
步骤一、将1.0g石墨烯氧化物超声分散到100mL水中,500rpm搅拌条件下加入7.58g硫酸亚铁溶液和20mL水合肼,放入高压反应釜中160°C还原反应24h;
步骤二、将冷却后的产物抽滤洗涤,60°C真空干燥,得到Fe/rGO纳米复合物;
步骤三、将Fe/rGO重新分散到100mL水中,加入7.98g硫酸铜,放入高压反应釜中160°C置换反应24h;
对实施例4合成的Cu/Fe/rGO复合材料,通过重金属水样进行试验结果表明,Cu/Fe/rGO复合材料可在3分钟内将水中初始浓度10mg/L左右的高毒性重金属离子(铅、铬、汞)还原成低毒或无毒单质态沉积在正极材料表面,去除率达到90%以上,从而实现高效快速还原去除。
实施例5
一种Cu/Fe/rGO复合材料制备方法,包括以下步骤:
步骤一、将1.0g石墨烯氧化物超声分散到100mL水中,500rpm搅拌条件下加入7.58g硫酸亚铁溶液和20mL水合肼,放入高压反应釜中180°C还原反应12h;
步骤二、将冷却后的产物抽滤洗涤,60°C真空干燥,得到Fe/rGO纳米复合物;
步骤三、将Fe/rGO重新分散到100mL水中,加入7.98g硫酸铜,放入高压反应釜中180°C置换反应12h;
对实施例5合成的Cu/Fe/rGO复合材料,通过重金属水样进行试验结果表明,Cu/Fe/rGO复合材料可在3分钟内将水中初始浓度10mg/L的高毒性重金属离子(铅、铬、汞)还原成低毒或无毒单质态沉积在正极材料表面,去除率达到95%以上,从而实现高效快速还原去除。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于纳米原电池效应的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属复合材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、将石墨烯氧化物超声分散到水中,搅拌条件下滴加二价铁盐和水合肼,得到反应混合液,将反应混合液转移至高压反应釜中进行还原反应;所述还原反应的温度为100-180℃;
步骤二、还原反应结束后对得到的产物进行抽滤洗涤,真空干燥,得到石墨烯负载纳米零价铁复合物;
步骤三、将石墨烯负载纳米零价铁复合物重新分散到水中,加入铜盐后将其转移至高压反应釜中进行置换反应;所述置换反应的温度为100-180℃;
步骤四、置换反应结束后对得到的产物进行抽滤洗涤,真空干燥,得到石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤一中,所述水合肼与二价铁盐的摩尔比为(10-3):1。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤一中,所述二价铁盐为硫酸亚铁、硝酸亚铁、氯化亚铁中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤一中,所述还原反应的时间为12-24h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤三中,所述铜盐为硫酸铜、硝酸铜、氯化铜中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤三中,所述铜盐与二价铁盐的摩尔比为1:(1-3)。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤三中,所述置换反应的时间为12-24h。
8.如权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属复合材料。
9.如权利要求8所述的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属复合材料在去除水中重金属离子的应用,其特征在于:所述石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属复合材料在吸附处理重金属离子过程中能够以铜为正极,铁为负极,石墨烯为导体,自发构筑完整的纳米级原电池,显著增加电子的定向传递速率,提高重金属离子还原吸附去除效率,实现基于纳米原电池快速氧化还原反应特性的重金属高效、快速还原去除。
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