功能化石墨烯的制备及其对重金属离子与亚甲基蓝的吸附性能研究

论文摘要

石墨烯是一种由sp2杂化碳原子构成的二维碳纳米材料,自从2004年首次被制备以来,在物理。化学和材料学等研究领域里引起了极大的兴趣和广泛的研究。研究表明它具有许多优异的性能,首先由于它独特的平面二维结构,其理论比表面积高达2630 m2g-1;独特的结构也使得它的电荷迁移率最高可达200 000 cm2V-1s-1;由于碳原子之间连接的柔韧性致使它具有优秀的力学性能,其杨氏模量大约为1100 GPa,折断力为125 GPa;并且石墨烯还具有良好的导热率,在室温下可达5300 W/mK。这些优异的性能使得石墨烯以及功能化的石墨烯在计算机。太阳能电池。超级电容器。催化。生物医药。复合材料等诸多领域都有着巨大的潜在应用。为了能够使石墨烯诸多的优异性能得到更好的发挥,石墨烯的制备方法是至关重要的,迄今为止,已经有许多种石墨烯的制备方法,主要包括微机械剥落法。加热碳化硅法。外延生长法。化学气相淀积法以及石墨氧化还原法,但是为了能够进一步工业化,人们一直在寻求更为高效简洁的制备方法。本文通过简单的一步电解方法制备了功能化的石墨烯,通过透射电子显微镜。原子力电子显微镜以及X射线粉末衍射对样品的表征显示它是带有褶皱的石墨片层结构并且厚度约为1.0 nm。X射线光电子能谱测试以及热重分析的结果说明我们的样品上带有30 wt%的PF6-,同时拉曼光谱上具有典型D键的结果也辅助地证明了PF6-的存在。此外氮气吸附的测试结果说明我们的样品是一种介孔材料。也就是说,我们通过简单一步电解的方法成功地制备了带有PF6-的功能化的石墨烯介孔材料。我们还研究了它对重金属离子Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的吸附性能,结果表明它对Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的最大吸附容量分别能够达到406.6和73.42 mg/g,这一数值远远大于文献中报道的碳纳米管对Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的吸附量。并且吸附过程在短的时间内（40分钟）就能够达到吸附平衡,同时我们的样品还具有良好的再生能力。这些都说明我们的样品对于Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）具有非常优秀的吸附能力和潜在的工业应用前景。除此之外,我们还研究了它对亚甲基蓝染料的吸附性能,通过实验我们发现它对亚甲基蓝的吸附量随着溶液pH值的增加而增加,吸附在进行了60分钟的时候即可达到平衡,同时实验数据能够用准二级反应动力学模型很好的解释。并且Langmuir和Freundlich吸附等温线模型都能够很好的描述吸附数据,更重要的是在20 oC下它对亚甲基蓝的最大吸附量可达374.4 mg/g,热力学实验表明该吸附过程是自发吸热过程。综上所诉,我们通过简单一步电解的方法制备了PF6-功能化的石墨烯,并且它对重金属离子Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）以及亚甲基蓝染料具有非常优秀的吸附性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 前言
• 1.2 石墨烯的发现
• 1.3 石墨烯的优异性能
• 1.3.1 石墨烯的电学性能
• 1.3.2 石墨烯的力学性能
• 1.3.3 石墨烯的热学性能
• 1.3.4 石墨烯的比表面积
• 1.4 石墨烯的制备
• 1.4.1 微机械剥落法
• 1.4.2 加热SiC 的法
• 1.4.3 取向生长法
• 1.4.4 化学气相淀积法（CVD）
• 1.4.5 化学氧化还原法
• 1.4.6 其他方法
• 1.5 石墨烯的功能化
• 1.6 石墨烯的应用
• 1.6.1 计算机领域
• 1.6.2 储能材料
• 1.6.3 复合材料
• 1.6.4 其他应用
• 1.7 立题依据和主要工作
• 第二章 功能化石墨烯的制备
• 2.1 前言
• 2.2 实验
• 2.2.1 试剂
• 2.2.2 仪器
• 2.2.3 实验步骤
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 第三章 功能化石墨烯GNSPF6对Pb（II）和Cd（II）的吸附性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验试剂及仪器
• 3.2.1 试剂
• 3.2.2 仪器
• 3.3 实验步骤
• 3.3.1 配制金属离子溶液并测定其浓度
• 3.3.2 测定吸附剂的酸性活性位点
• 3.3.3 确定吸附剂的零点电荷（PZC）
• 3.3.4 批量吸附实验
• 3.3.5 GNSPF6 的再生实验
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 酸度对吸附性能的影响研究
• 3.4.2 接触时间对吸附的影响
• 3.4.3 吸附等温线
• 3.4.4 GNSPF6 的再生研究
• 3.5 小结
• 第四章 功能化石墨烯GNSPF6对亚甲基蓝的吸附性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验
• 4.2.1 试剂
• 4.2.2 仪器
• 4.2.3 实验步骤
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 pH 值对MB 吸附的影响
• 4.3.2 接触时间对吸附的影响
• 4.3.3 吸附等温线
• 4.3.4 温度对吸附的影响
• 4.4 小结
• 结语
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间公开发表论文情况