三维石墨烯基自组装材料的制备及对有机染料、重金属离子的吸附性能研究

摘要

三维石墨烯自组装吸附剂因其超大的比表面积，丰富的孔结构，多样的官能团以及众多的离子通道，在废水处理领域具有独特的优势。本论文利用氧化石墨烯为前驱体分别制备了针对有机染料罗丹明B（RhB）的铽离子掺杂的石墨烯吸附剂以及针对铜、铅离子的氮掺杂的石墨烯吸附剂。通过多种分析手段考察了自组装材料的掺杂组分，微观形貌，孔径分布对饱和磁化强度，荧光性能及吸附性能的影响。具体内容如下：　　（1）通过微波水热法地制备了铽离子掺杂还原氧化石墨烯（Tb/rGO）的高效吸附材料。Tb/rGO片层上均匀分布了尺寸为3-5 nm的微区域，而在rGO中却并未出现，表明铽离子对石墨烯具有调控微结构的作用。Tb/rGO 微区域中的晶格间距为0.24 nm，并且材料具有的蓝色和绿色荧光。通过BH-Loop测试考察了Tb/rGO的磁学行为,掺杂铽离子的Tb/rGO具有磁滞的顺磁性能。在对罗丹明B （RhB)吸附实验中，我们考察了Tb/rGO制备温度和原料配比对吸附速率的影响。最佳工艺下的Tb/rGO具有超高的吸附效率，它能够在60 min内去除浓度为2.5 ppm的RhB溶液。另外，考察了吸附剂的动力学行为，吸附曲线满足准一级反应模型，表明了吸附剂的吸附速率与RhB浓度成正比的吸附规律。　　（2）对于铽离子掺杂石墨烯材料进行了磁学及光致荧光性能的机理研究。研究发现，制备过程中反应液体积以及后处理过程对三维网络状结构及孔结构有直接影响，从而影响了石墨烯本征磁学及光致荧光性能。铽离子作为掺杂剂，本身也具有一定的顺磁性和特征的绿色荧光性能。因此，我们拟采用引入铽离子来调控石墨烯材料的光致发光行为和磁学性能。根据高自旋态有机分子的报道，将准一维有机分子存在的耦合作用引入到三维组装的体材料的磁性解释中。通过实验发现，石墨烯片层间距缩小，层间π电子的相互作用力削弱了磁有序状态。在对材料的光致荧光考察中，发现部分铽离子激发能级上的电子将能量传递给石墨烯上碳氧基团，从而实现了蓝色荧光的增强。　　（3）通过对比各类掺杂形式改性的三维石墨烯吸附剂的吸附效果，选择出了对铜、铅离子高吸附性能的氮掺杂的石墨烯自组装吸附剂。实验结果表明，吸附剂在pH=5，100 mg/L铜离子溶液中吸附量高达624 mg/g。两种离子的吸附过程分别符合准一级动力学模型和准二级动力学模型，而吸附等温曲线符合Langmuir 模型。考察了尿素改性石墨烯具有高吸附量的原因：尿素在水热过程中释放出氨气、二氧化碳等气体，会在石墨烯自组装的过程中增大其片层间距；石墨烯内部存贮的氨在吸附过程中起到提供吸附位点的作用。最后将吸附了铜离子的吸附剂应用于4-硝基苯酚的催化实验中，在60 min内催化了90%的有机物。

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