石墨烯复合纳米材料的制备及其环境应用

摘要

目前，造纸、纺织、食品加工、染料等工业领域的产品已经广泛的应用于生活中，而有机染料的排放却不可避免，并越来越严重污染到环境。有机染料因为其复杂的分子结构很难进行生物降解，在水生环境中具有剧毒性，以及对人类也有很强的致癌性。为了能够更彻底的消除有机染料，降低其危害，改善光催化降解方法或者吸附剂性能已经越来越受到关注。石墨烯作为一种新型热门的二维材料，我们利用其独特的物理化学性质，分别制备了石墨烯-二氧化钛（rGO-TiO2）复合物以及β-环糊精功能化的磁性石墨烯（mGO-β-CD）复合物，并分别对这两种复合物测试了光催化和吸附性能实验。
　　本文中所有的氧化石墨烯（GO）均用改进的Hummers法制备，并用超声剥离而获得。通过AFM、SEM、Raman、UV-Vis等表征方法可知，GO主要以单层的微观结构存在，并且GO的表面和边缘上具有大量的亲水性含氧官能团，使GO拥有优良的双亲性。
　　在制备rGO-TiO2复合物的过程中，利用溶剂热法制备疏水性的TiO2纳米颗粒，通过对原料油酸和油胺的比例调和，使锐钛矿TiO2暴露{001}高能晶面；继而利用氧化石墨烯的双亲性，在简单的超声下与TiO2结合生成复合物；最后水热还原获得rGO-TiO2复合物。我们通过掺杂不同质量的石墨烯，获得不同质量比的rGO-TiO2复合物。在对比了不同质量比的复合物对罗丹明B（RhB）染料的光催化降解实验后，我们发现，掺杂0.1wt％的rGO的纳米复合物表现出最佳的光催化性能，在可见光光照30分钟后，RhB的浓度被降解高达98%。通过实验结果，我们做了一下解释：（1）石墨烯具有高电子迁移率，它可以降低TiO2的电子-空穴对的重合；（2）掺杂一定量的C原子可以扩展光响应范围，提高光吸收强度；（3）适当的掺杂石墨烯，可以在TiO2表面的活性位点和石墨烯的比表面积这两个竞争因素之间得到一个最佳的折中点。
　　在制备mGO-β-CD复合物的过程中，我们通过化学沉积法合成氧化铁纳米颗粒-石墨烯复合物（mGO），使石墨烯具有超顺磁性；继而利用β-环糊精功能化mGO，得到最终产物mGO-β-CD复合物。通过检测对罗丹明6G的吸附量，我们发现mGO-β-CD复合物的最大吸附量是传统含碳材料的几十倍，甚至几百倍，而深入研究了离子强度和pH值对mGO-β-CD复合物的影响，结果显示pH值对吸附实验并没有明显影响，然而离子强度的不断增加会极大影响到mGO-β-CD复合物的吸附能力。在吸附-脱附平衡的循环实验中，我们利用外加磁场分离mGO-β-CD复合物后，重复六次的吸附-脱附实验，实验可知，mGO-β-CD纳米复合物的稳定性和再生性很高。最后，利用细胞毒性实验检测可知，mGO-β-CD纳米复合物几乎没有毒性。
　　综上所述，本文利用石墨烯合成rGO-TiO2复合物和mGO-β-CD复合物，通过对染料分别进行光催化降解实验和吸附实验，发现石墨烯极大的改善了光催化性能或者吸附性能。由此可知，利用石墨烯独特的物理化学性质可以为后续的应用提供更多的可能性。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 石墨烯的研究现状及其应用

1.3 TiO2的研究现状及其在光催化领域中的应用

1.4 环糊精的研究现状及其应用

1.5 本课题研究的主要内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验药品和仪器设备

2.2 氧化石墨烯（GO）的合成

2.3 rGO-TiO2复合物的制备

2.4 mGO-β-CD复合物的制备

2.5 基于石墨烯的复合物光催化剂结构和微观状态表征

第3章 rGO-TiO2的结构表征和罗丹明B光催化降解的研究

3.1 GO的表征

3.2 rGO-TiO2的表征及光催化性能的研究

3.3 本章小结

第4章 mGO-β-CD的结构表征和罗丹明6G吸附性能的研究

4.1 mGO-β-CD的结构表征

4.2 mGO-β-CD的吸附性能和细胞毒性实验

4.3 本章小结

第5章 总结

5.1 本文工作的主要结论

参考文献

致谢

个人简历和在学期间发表的学术论文