大尺寸石墨烯海绵的制备及性能研究
本文关键词：大尺寸石墨烯海绵的制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：石墨烯凭借其优异的力学、热学及电学性能使其具有十分广阔的应用前景，，而石墨烯宏观体的研究则极大地促进了石墨烯的大规模应用；纳米多孔材料作为新型的多孔材料具有高孔隙率、高比表面积、独特的力学、光学和电学等性能，这些性能将使纳米多孔材料在材料科学研究和国民经济建设等领域发挥巨大的作用；因此将微观的石墨烯组装成具有三维网络状多孔结构的石墨烯宏观体，使其在微观上具有纳米材料的本质特征同时在宏观上又表现出多孔材料的固有性能，将具有十分重要的意义。本论文利用石墨烯的自组装技术可控地制备出了一种具有三维网络状多孔结构的大尺寸石墨烯宏观体，即石墨烯海绵。论文首先制备了氧化石墨烯作为制备石墨烯海绵的原料，进而研究了大尺寸石墨烯海绵的可控的制备方法并对其基本性能特别是对有机溶剂的吸附性能及其对有机染料分子的过滤性能进行了研究和分析，旨在为石墨烯海绵的实际应用奠定基础。 分别以氧化石墨烯为原料，以水合肼为还原剂，利用定向凝固冷冻干燥技术可控地制备出了大尺寸的石墨烯海绵，制备态石墨烯海绵的最大尺寸高达400×600×15mm3。石墨烯海绵在微观上是由许多相互缠结在一起的石墨烯层片组成的，在宏观上具有传统多孔材料很难具备的性能特点如轻质（2.4±0.2mg/cm3）、多孔（孔隙率㧐99%）、疏水、导电、隔热和结构稳定性好等。通过改变氧化石墨烯溶液的浓度和冷冻干燥过程中的工艺参数可以实现对石墨烯海绵的表观密度、孔隙率和微观结构的调控。 研究了石墨烯海绵对有机溶剂的吸附性能。与传统的吸油材料相比，石墨烯海绵具有疏水亲油性好、吸附速度快、饱和吸附量大、对可吸附有机溶剂的选择范围较大、可重复利用等特点。石墨烯海绵对有机溶剂的饱和吸附量随有机溶剂密度的增大而增大，对密度为0.788~1.595g/cm3的有机溶剂的饱和吸附量可以达到226~567g/g。吸附之后可以通过燃烧脱附的方法脱除吸附的有机溶剂并且石墨烯海绵本身的结构不会受到破坏，从而可以对石墨烯海绵进行重复利用。燃烧脱附循环使用5次之后石墨烯海绵对汽油的饱和吸附量仍大于80g/g,脱附效率仍然在96%以上。研究了石墨烯海绵对水中甲基橙分子的过滤性能，结果表明当过滤量小于0.35L/g时，石墨烯海绵对甲基橙分子的过滤效率高达100%。由此可见石墨烯海绵在污水处理领域具有十分广阔的实际应用前景。
【关键词】：氧化石墨烯 冷冻干燥 石墨烯海绵 多孔材料 吸附 过滤
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ127.11
【目录】：
- 摘要4-5
- Abstract5-7
- 目录7-9
- 第一章 绪论9-28
- 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
- 1.2 国内外研究现状及分析10-23
- 1.2.1 石墨烯的结构及性质10-11
- 1.2.2 石墨烯的制备方法11-14
- 1.2.3 石墨烯宏观体14-20
- 1.2.4 石墨烯宏观体的应用20-23
- 1.3 多孔材料23-25
- 1.3.1 多孔材料的分类24
- 1.3.2 多孔材料的主要表征方法24-25
- 1.4 论文主要研究内容与技术路线25-28
- 1.4.1 论文主要研究内容25-26
- 1.4.2 技术路线26-28
- 第二章 实验材料与测试方法28-32
- 2.1 实验原料及实验设备28-29
- 2.1.1 实验原料与试剂28
- 2.1.2 实验设备28-29
- 2.2 分析测试方法29-32
- 2.2.1 材料表面化学状态分析29-30
- 2.2.2 溶液分散稳定性分析30
- 2.2.3 材料微观形貌分析30
- 2.2.4 材料导热性能测试30-31
- 2.2.5 材料导电性能测试31
- 2.2.6 材料力学性能测试31
- 2.2.7 多孔材料孔隙率与比表面积分析31-32
- 第三章 石墨烯海绵的制备及其性能表征32-52
- 3.1 概述32
- 3.2 氧化石墨烯的制备32-34
- 3.3 氧化石墨烯的性能表征34-38
- 3.3.1 氧化石墨烯的化学状态分析34-36
- 3.3.2 氧化石墨烯的分散稳定性测试36-37
- 3.3.3 氧化石墨烯的微观形貌分析37-38
- 3.4 氧化石墨烯海绵的制备及还原38-41
- 3.5 制备态石墨烯海绵的性能表征41-50
- 3.5.1 石墨烯海绵的宏观形态41-42
- 3.5.2 石墨烯海绵的微观结构42
- 3.5.3 石墨烯海绵的密度与孔隙率42-43
- 3.5.4 石墨烯海绵的红外光谱分析43
- 3.5.5 石墨烯海绵的比表面积及孔分布43-45
- 3.5.6 石墨烯海绵的压缩性能45-47
- 3.5.7 石墨烯海绵的导热性能47-49
- 3.5.8 石墨烯海绵的导电性能49-50
- 3.6 本章小结50-52
- 第四章 石墨烯海绵对有机物分子的吸附与过滤52-68
- 4.1 概述52-53
- 4.2 制备态石墨烯海绵对油类的吸附53-54
- 4.3 制备态石墨烯海绵的饱和吸附量54-57
- 4.4 制备态石墨烯海绵对有机溶剂的吸附机理分析57-62
- 4.4.1 吸附动力学过程57-60
- 4.4.2 吸附机理分析60-62
- 4.5 制备态石墨烯海绵对有机溶剂的脱附与循环利用62-64
- 4.6 石墨烯海绵对水中有机染料分子的过滤64-65
- 4.7 石墨烯海绵对水中有机染料分子的过滤效率65-67
- 4.8 本章小结67-68
- 结论68-69
- 参考文献69-76
- 致谢76
【共引文献】
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本文编号：437301
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