磁性石墨烯泡沫复合材料的制备及吸附性能研究

发布时间：2020-09-18 14:20

　　设计与合成新的磁性材料在污水治理及环境修复等方向具有重要的科学意义和应用价值。本文基于磁性纳米粒子的磁控导向性和磁分离稳定性,以及三维石墨烯泡沫独特的结构、优异的性能(孔隙率高、比表面积大及稳定性好等)和低的成本等特点,将磁性纳米粒子和石墨烯泡沫复合得到既具有磁响应性又具有石墨烯泡沫独特的多孔性的复合材料,并对其进行了XRD、FESEM、TEM、BET等一系列表征,且将磁性石墨烯泡沫(Magnetic graphene foam,简写:MGF)材料应用于酚类和染料两种有机污染物的吸附研究中。实验数据显示该复合材料对水体系中酚类和染料两种有机物有很好的吸附性,且可循环使用。论文的主要内容及结果如下:1.通过一锅法还原制备MGF复合材料,并用SEM、TEM、TG、FT-TR及XRD等手段对所制备的MGF复合物进行了表征,并将其应用于吸附水体中的亚甲基蓝(Methylene blue,简写:MB)。结果表明:Fe_3O_4是由不规则多面体颗粒组成的类球形结构,颗粒尺寸范围为150 nm~200 nm,Fe_3O_4成功复合在石墨烯上,相对均匀的分散在石墨烯内外表面上;MGF有很好的的热稳定性;在外磁场下,磁性石墨烯能实现固液分离。MGF复合物对MB的吸附结果显示:MGF对MB有很好的吸附性,当MB浓度为200 mg/L,磁性吸附剂浓度为1 g/L,温度为303 K时计算出的最大单层吸附容量为194.5 mg/g;pH的大小对MGF的吸附性能有很大影响,在接近中性和碱性条件下,吸附性能最好;循环使用性良好,循环4次后去除率仍为67.6%,说明MGF复合材料的结构较稳定,在废水处理上有潜在的商业价值。2.采用氨水做还原剂,通过简单的水热法合成实心Fe_3O_4/石墨烯泡沫(Solid Fe_3O_4/Graphene Foam,S-Fe_3O_4/GF)复合材料,对S-Fe_3O_4/GF进行了SEM、TEM、BET、XRD及VSM等表征,并研究了S-Fe_3O_4/GF材料对5种不同阴、阳离子型染料的吸附性能。结果表明:石墨烯为三维泡沫结构;Fe_3O_4为标准球形结构,粒径分布在460 nm~660 nm之间,GO还原制备S-Fe_3O_4/GF的过程并未改变磁性粒子的尖晶石结构且石墨烯层更为轻薄,分布许多网孔,增大材料表面积;S-Fe_3O_4/GF具有超顺磁性,饱和磁化强度是32.9 emu/g,在外磁场下,S-Fe_3O_4/GF能从介质中快速分离;S-Fe_3O_4/GF材料的比表面积为157 m~2/g。S-Fe_3O_4/GF对染料的吸附结果显示:S-Fe_3O_4/GF对5种不同阴、阳离子型染料都有吸附,并无特定选择吸附性;S-Fe_3O_4/GF对5种染料的吸附能力的顺序为CRMGMORBCV。基于S-Fe_3O_4/GF的表面电位及吸附结果可推断:染料分子与磁性粒子之间除了有静电作用力外,π-π共轭也发挥了很大作用,即吸附能力与染料分子本身的结构及复合材料与染料分子之间的作用力有关。3.以SiO_2为模板,溶剂热法成功制备SiO_2/Fe_3O_4/C微球,经碱刻蚀并与GO混合水热还原制备空心Fe_3O_4/C/石墨烯泡沫(Hollow Fe_3O_4/C/graphene foam,简写:H-Fe_3O_4/C/GF)复合材料,用TEM、FESEM、XRD、BET、TG等对H-Fe_3O_4/C/GF进行表征,并研究其对于水体系中的双酚A(BPA)、苯二酚及2-硝基-1,3-苯二酚(NRC)的吸附性能。结果显示:复合材料明显为三维多孔材料;Fe_3O_4/C微球是规整的球形结构,内孔直径约300 nm,均匀的分散在石墨烯表面上,Fe_3O_4/C颗粒有的分布在石墨烯外表面,有的被包裹在石墨烯片层之间,有效的阻止了还原氧化石墨烯过程中片层的重新堆积,增大其比表面;H-Fe_3O_4/C/GF有很好的的热稳定性;H-Fe_3O_4/C/GF的比表面积为201 m~2/g。H-Fe_3O_4/C/GF复合材料吸附结果显示:H-Fe_3O_4/C/GF对BPA、NRC、苯二酚(间、邻)均表现出优异的吸附性,NRC最快达到吸附平衡且吸附能力最强,对邻苯二酚的吸附能力大于间苯二酚,pH对两种苯二酚的吸附也有很大差异,推测被吸附物的化学特性及分子结构对吸附能力有很大影响;低温对BPA的吸附有利,其他三种酚则正好相反。H-Fe_3O_4/C/GF的合成解决了吸附后固液分离回收难的问题,也为H-Fe_3O_4/C/GF治理含酚类污水的应用奠定了基础。
【学位单位】：郑州轻工业学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33;O647.3
【部分图文】：

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第一章绪论图 1-4 石墨烯泡沫（GF）合成过程示意图Fig.1-4 Schematic diagram of the synthesis process of the graphene foam (GF)Qin 等[18]利用金属前体作为催化剂和 NaCl 颗粒的 3D 自组装体作为了一种简单且可扩展的原位化学气相沉积（CVD）技术，一步制备了 Sn@G-PGNWs 多孔材料。石墨烯墙上锚固 Sn 颗粒（5-30 nm），Sn 颗nm 的石墨烯壳包覆，如图 1-5。

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1.1.4 3D 打印法Sha 等[22]借助一种原位自动粉末床3D打印方法成功模拟合成独立的3D G如图 1-6。这种方法简单高效，粉末冶金模板与三维打印的结合使 GF 原位 3D 打印不需要高温炉或长时间生长过程。手动逐层喂入 Ni 和蔗糖粉末的混合物，每层用 CO2激光进行处理，在石墨烯的生长过程中是以 Ni 作为模板和催化剂，蔗糖作为固体碳源。3D 打印的 GF 具有 99.3 %的孔隙率，0.015 g/cm3的低密度且含有高品质的多层石墨烯。对比使用其他工艺制造的 GF 来说，3D 打印的 G有一个显著的储能模量 ~ 11 kPa 以及高室温阻尼容量 ~ 0.06。这个简单而高效的 3D 打印方法无需冷压模具或高温 CVD 处理。另外，通过使用不同于蔗糖的碳前体，可制造各种不同的 3D 碳复合材料，包括 3D 印刷的钢筋石墨烯和 N/掺杂的石墨烯泡沫。通过这种方法制备的 3D GFs 在 3D 碳材料的快速成型和制造、储能装置、阻尼材料和声音吸收等领域很有应用前景。

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图 1-7 ZnO/rGO 泡沫的光催化机理示意图g.1-7 Schematic illustration of the photocatalytic mechanism of the ZnO/rGO f敏等[51]人将 Co-Pi 和 Co-Bi 析氧催化剂负载在 3D GF 上，负载 GF 表面有大量反应活性位点，使电催化分解 H2O 析 H2过程的传都得到大幅度的提升。结果表明，GF 与 Co-OEC 之间具有良好催化活性和稳定性都得到提升。中性溶液中，将 Co-Pi 和 Co-Bi 析在 3D GF 上后的析氧过电位分别是 0.390 V 和 0.315 V。Azimirad 等[52]在镍泡沫骨架上通过CVD法合成3D GF，再在获得和生长 WO3颗粒，最后合成 3D GF-WO3。实验证实以 3D 石墨烯的电子受体，复合材料中 W-C 和 W-O-C 键的形成对于快速转移光要。3D GF-WO3复合物用于 RB 染料的光催化降解。通过 3D GF 改化性质，使光生电子通过 GF 的互连结构更容易和更快地转变，3接近的表面积用于 WO3颗粒的生长，也更容易吸附染料分子。据

【参考文献】