氧化石墨烯和石墨烯纳米材料制备及其重金属吸附性能研究

摘要

因为特殊的电学和力学性能碳家族材料受到了广泛关注，尤其是氧化石墨烯和石墨烯。由于具有独特的二维单原子层结构，它们具有很多杰出的性能，比如说石墨烯就具有很大的比表面积，理论比表面积更是高达2630平方米/克。不仅如此，它们的表面性质还可以通过表面化学修饰来进行调整，导致它们有很多潜在的应用价值。　　 本论文通过修正的Hummers方法制备了氧化石墨烯，化学法合成的石墨烯通过先氧化后还原的过程制备，并通过X射线衍射仪、拉曼光谱和原子力显微镜等手段进行了结构表征。研究结果显示：拉曼光谱发现所制备的样品在1333cm-1处出现较强的D峰说明在氧化过程中碳碳双键被破坏，XRD中10.6°的氧化石墨烯(001)晶面特征衍射峰的出现证明了氧化石墨烯的存在。经过还原后的石墨烯在AFM图像中显示其厚度约为13-18层，而XRD中10.6°的特征峰消失和24°的(002)晶面的特征衍射峰的重新出现说明了石墨烯的制备是成功的，拉曼光谱和透射电子显微的结果也证明了这一点。另外通过BET表征我们得到石墨烯的比表面积高达530.07m2g-1。　　 为了探讨制备的氧化石墨烯和石墨烯对重金属离子的去除，我们从吸附动力学和吸附热力学两个方面研究了五种不同碳材料对于二价镉离子的吸附情况，得到了吸附平衡曲线和吸附等温线，并用朗格缪尔方程、弗里德里希方程和三参数方程描述了吸附情况。结果发现：该五种碳材料(物理法石墨烯、活性炭、氧化石墨烯、碳纳米管、化学法石墨烯)吸附二价镉离子属于化学作用伴随下的物理吸附，化学吸附占主导地位，该吸附很快能达到平衡。从吸附性能上说物理法合成的石墨烯性能最佳，达到了138.6毫克/克。这些碳材料吸附性能的排序为：物理法石墨烯>活性炭>氧化石墨烯>碳纳米管>化学法石墨烯。同时吸附温度对于镉离子的吸附也有一定的影响。随着温度的降低，碳纳米管的吸附效果会越来越好。因此碳纳米管对于金属镉离子的吸附反应是放热反应，但是其它四种吸附材料则刚好相反是吸热反应。通过我们对于碳材料吸附性能的研究我们相信碳材料在环境中的重金属离子去除领域必定会有广阔的应用空间。