对硝基苯酚在石墨烯类材料表面的吸附行为研究

发布时间：2019-01-21 13:06

【摘要】：石墨烯类材料所具有的独特的物理、化学性质,使其在传感器和吸附剂方面的应用得到了人们的广泛关注。石墨烯类材料的表面效应和量子尺寸效应,可以大大提高其吸附效率,进而提高传感器的灵敏度和响应速度,所以石墨烯类材料是对污染物进行实时监测的理想传感器材料。对硝基苯酚(p-NP)作为一种高毒性的环境污染物,受到越来越多的研究人员的关注。已有研究人员设计出基于石墨烯的电化学传感器及固相微萃取涂层用来检测p-NP,但是关于p-NP分子与石墨烯之间的相互作用机理并不十分清晰。因此较系统的探究p-NP分子在石墨烯类材料表面的吸附行为以及它们之间的相互作用机理,可以为基于石墨烯的电化学传感器及固相微萃取涂层提供理论支持。本文通过吸附实验与量子化学计算的方法相结合的方式,采用实验观察,计算吸附能量、电子密度分析、布居分析、静电势分布等,来研究p-NP分子在完美石墨烯、本征缺陷石墨烯和改性石墨烯表面的吸附性能以及它们之间的相互作用机理。主要研究的内容分以下三个部分:1、采用改良Hummers法制备氧化石墨烯(GO),再以水合肼作为还原剂,制备了还原氧化石墨烯(RGO),并研究了 GO和RGO对对硝基苯酚的吸附行为。使用TEM、Raman、XPS、FT-IR等手段对材料进行了系统的表征分析,表征结果说明还原过程有效地减少了含氧基团含量,碳原子由sp3杂化恢复成sp2杂化。吸附实验结果表明,两种材料对p-NP吸附都受pH条件影响。在293 K,pH 6.0时,GO对p-NP的吸附大约在50 min达到吸附平衡,吸附过程遵循二级动力学模型,吸附等温线符合Freundlich模型,最大吸附容量为35.10 mg/g;RGO对p-NP的吸附仍然在50 min左右达到吸附平衡,吸附过程遵循二级动力学模型,吸附等温线符合Langmuir模型,最大吸附容量为29.94 mg/g。通过红外光谱的分析,证明了GO与p-NP之间的作用力主要是氢键作用,而RGO与p-NP之间的作用力主要为π-π相互作用。2、利用DFT方法模拟了 p-NP分子在完美石墨烯和本征缺陷石墨烯表面的吸附。模拟结果表明,p-NP分子在完美石墨烯表面与Stone-Wales(SW)缺陷石墨烯表面的吸附为物理吸附,吸附作用力以π-π相互作用为主。而p-NP分子在单空位缺陷石墨烯表面的吸附为化学吸附,吸附作用力以新形成的C…H…O化学键为主。两种缺陷的引入都有助于增强p-NP分子在石墨烯材料表面的吸附,而且单空位缺陷石墨烯在催化p-NP降解中有潜在的应用价值。3、利用DFT方法模拟了 p-NP分子在改性石墨烯表面的吸附。模拟结果表明,p-NP分子在含氧官能团改性石墨烯表面的吸附作用力主要为氢键作用,羧基、平面羟基、环氧基的引入增大了 p-NP分子的吸附能,促进了 p-NP分子的吸附,而边缘的羟基对吸附没有明显的增强作用;而p-NP分子在硼氮掺杂石墨烯表面的吸附作用力以静电作用与π-π相互作用为主,B、N原子的引入增大了 p-NP分子的吸附能,促进了 p-NP分子的吸附。
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【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O647.3

【参考文献】