石墨烯气凝胶的制备及对刚果红吸附性能的研究探索

<炒股杠杆平台>石墨烯气凝胶的制备及对刚果红吸附性能的研究探索

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摘要

石墨烯气凝胶是一种由石墨烯作为基材制备的3D多孔互联三维海绵状网络结构，不仅有石墨烯本身的电子、力学特性、化学稳定等优点，而且具有高疏水性、高弹性、高比表面积、高孔隙率、强吸附等特点。应用前景广阔。本文通过氧化还原法制备氧化石墨烯，再向其中加入抗坏血酸烘干成石墨烯水凝胶，最后经过干燥制得石墨烯气凝胶。利用制成的气凝胶探究其对刚果红的吸附性能研究关键词：石墨烯；气凝胶；刚果红

第1章绪论1.1石墨烯

石墨烯(G)是平面单层碳原子紧密结合在一起形成的二维(2D)蜂窝晶格材料，被认为是构建所有其他维数石墨材料(包裹成富勒烯、卷制成碳纳米管和堆集成石墨)基本单元［1—11］。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右，是世界上最薄的二维材料。然而，由于石墨烯没有能带隙，使得其电导性不能像传统的半导体一样完全被控制，而且石墨烯表面光滑且呈惰性，不利于与其他材料的复合，从而阻碍了石墨烯的应用。

1.2刚果红

刚果红，化学名为:二苯基-4，4-二(偶氮-2-)-1-氨基萘-4-磺酸钠，分子式为，为棕红色粉末，溶于水呈黄红色，溶于醇呈橙色。用于作为酸碱指示剂，变色范围为3.5到5.2，碱态为红色，酸态为蓝紫色。也用于诊断淀粉样病变。刚果红(CR)是一种经典的阴离子重氮染料，当排放到水中时，即使浓度很低，也会产生明显的颜色，更重要的是会对水生生物和人类的健康产生严重的影响。

1.3石墨烯气凝胶的制备方法

石墨烯气凝胶（GA）的基本单元是具有二维蜂巢晶格的石墨烯片层结构,石墨烯气凝胶的结构是由石墨烯片层相互堆叠组装成三维多孔网络结构。石墨烯气凝胶（GA）最常用的方法有：原位还原法、水热法、化学交联法和模板法将氧化石墨烯分散在水中制备均匀分散液，从而制备石墨烯水凝胶，在经过冷冻或者超临界干燥得到石墨烯气凝胶（GA）。

1.3.1原位还原法

原位还原法是以氧化石墨烯(GO)为原料，将其均匀分散在液相（通常为水）中，氧化石墨烯含有大量的羟基等含氧基团，非常容易在水中分散。在液相中，加入还原剂对氧化石墨烯进行还原，氧化石墨烯通过还原含氧官能团逐渐减少石墨烯水凝胶的制备，石墨烯片层便会相互搭接形成三维疏松多孔的三维网状结构石墨烯气凝胶的制备及对刚果红吸附性能的研究探索，也就是石墨烯水凝胶，时候经过干燥得到石墨烯气凝胶（GA）

1.3.2水热法

水热法主要是在水热反应釜中，高温高压的条件下，利用氢键、范德华力和π－π键的相互作用制备石墨烯水凝胶，再通过冷冻或超临界干燥制备石墨烯气凝胶。

1.3.3化学交联法

化学交联法一般使用交联剂，促进氧化石墨烯通过物理或化学的相互作用形成三维网状结构。之后根据需求选择不同的交联剂，一般有原位聚合法、树脂胶黏法、分子交联法等。

1.3.4模板法

模板法所用的模板包括纳米微球类模板和泡沫类模板两大类。利用微球作为模板能够得到连续贯穿规则孔道的石墨烯气凝胶。模板－化学气相沉积（CVD）是应用比较广泛的方法，在形成三维结构的石墨烯气凝胶的过程中采用一些具有三维骨架的材料，在反应结束后，将模板去掉，由石墨烯片层最终形成有规则的石墨烯泡沫，即石墨烯气凝胶。CVD法是目前应用最广泛的控制石墨烯层数和尺寸的方法。一般以多孔金属(如镍(Ni)泡沫和铜(Cu)泡沫)为催

化剂和模板，采用CVD法制备3D石墨烯基气凝胶。随后对金属模板进行刻蚀，获得形貌可控的3D石墨烯基气凝胶

1.4石墨烯气凝胶的发展前景

石墨烯气凝胶（GA）具有独特的三维纳米多孔结构，该结构有效地兼具了石墨烯的电子、力学特性、化学稳定和气凝胶的高疏水性、高比表面积、高孔隙率等诸多优点。

石墨烯气凝胶制备方法的不断完善必将成为未来石墨烯气凝胶的发展重点。特殊结构尤其是三维纳米多孔结构的制备和性能研究将成为该材料研究的高端方向。石墨烯气凝胶除了在催化领域深化外，因其结构稳定、比表面积大、独特的纳米特性、良好的电学特性，未来可以吸附材料、超级电容电极材料、储能材料、转化装置载体等诸多研究领域大放光彩。

1.5论文研究内容

本文着重介绍由水热法制备出了高性能的石墨烯气凝胶，并且对其极为优异的吸附性能进行研究，为未来作为世界主流的吸附材料作出微薄的努力。从最开始先用鳞片石墨粉、硝酸钠以及高锰酸钾在浓硫酸的环境下进行反应，再经过处理生成氧化石墨烯。再经过和抗坏血酸的一系列反应制得石墨烯气凝胶。并通过控制不同的用量来得到各种不同的样品，再通过扫描电镜（SEM），红外光谱仪，X-射线衍射测试(XRD)和比较面积来分析石墨、氧化石墨烯和石墨烯气凝胶的微观形貌。并通过各种测试来表明石墨烯气凝胶对刚果红的吸附作用。

第2章实验部分

2.1实验药品及仪器表2.2实验主要仪器2.2氧化石墨烯的制备

2.2.1氧化石墨烯的制备

氧化石墨烯的最初反应分为三个阶段：低温反应阶段、中温反应阶段和高温反应阶段。

低温反应阶段：在500ml的三口烧瓶中，缓缓加入30ml的浓硫酸。将盛有浓硫酸的三口烧瓶转移到事先准备好的冰水浴中，对浓硫酸进行冷却，等到烧瓶内浓硫酸的温度降到0℃时，再继续保持30min。然后将0.5000g的硝酸钠与1.0006g的鳞片石墨粉，分别加入到三口烧瓶中，并用搅拌器保持中速搅拌30min，使其混合均匀。再向混合溶液缓缓加入3.0015g高锰酸钾，添加高锰酸钾的整个过程耗时约40min，加完高锰酸钾后令反应体系继续保持30min，以便使得高锰酸钾能够得到充分反应。

中温反应阶段：将水浴温度逐步升高至35至40℃，将调速搅拌器调整为高速搅拌，持续45min，这是制备氧化石墨烯的中温反应阶段。

高温反应阶段：将磁力搅拌器的温度调至90℃，待三口烧瓶内的温度稳定在80℃时，向溶液体系中逐滴滴加90ml的去离子水。滴加去离子水的过程持续45min。

在高温反应结束之后，将三颈烧瓶从磁力搅拌器中移除，再将里面的溶液倒入烧杯中，冷却至室温，然后向里面加入25ml的双氧水，然后待充分混合后，溶液逐渐变为土黄色，然后静置一星期。

2.2氧化石墨烯的后处理

1.粗洗：静置一星期后溶液出现了明显分层，首先将上层清液除去，再加入100ml去离子水，使产物重新混合并搅拌均匀。超声2小时之后，再转入离心机离心30min，得到的产物除去上层清液，得到下层沉淀物。2.酸洗：洗过后首先进行酸洗，用浓度3%的稀盐酸清洗第一步粗洗得到的沉淀物，充分搅拌，使之完全溶解，将搅拌过后的混合物用离心机以离心20min，得到离心后的沉淀物。将盐酸清洗离心这一过程如此反复，共进行三次，最后一次离心30min。最终可以得到棕色浆状的物质。

3.水洗：将酸洗得到的棕色浆状产物重新溶于去离子水中进行水洗，搅拌均匀，直至完全溶解，超声1h过后取出试样，再加入去离子水搅拌均匀放入离心机以离心15min。再用pH试纸检测溶液的酸碱程度变化，第一次水洗过后溶液通常呈酸性，重复水洗步骤。重复四次之后的溶液经检验呈中性。将离心过后的上层清液倒掉，将下层沉淀物倒入小瓶中放入烘箱，调节烘箱温度为140℃进行烘干，烘干之后得到的产物即为氧化石墨烯。

2.3石墨烯水凝胶的制备

将干燥后制得的氧化石墨烯取出并称量，得到产物为1.0626g。称量0.02g氧化石墨烯样品，放入小瓶中，共称取十一次。再分别向其中加入10ml去离子水配置成溶液，然后超声震荡30min使氧化石墨烯均匀分散。称取0.1g抗坏血酸，加入到氧化石墨烯溶液中，再超声震荡4h，待完全混合之后，放入烘箱，调节烘箱温度至125℃，烘一整夜，即可制得成型的石墨烯水凝胶。2.4石墨烯气凝胶的制备