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随着全球水污染问题的日益严峻,钴基纳米材料因其种类繁多和催化效率高而被广泛关注。然而,粉末状纳米催化剂的团聚问题以及难以从水中分离等缺点限制了它们的应用。相比于常规搅拌式催化装置而言,流动式装置的操作更加方便,可以对污水进行连续式的处理。因此,构建出适用于流动态装置中的三维(3D)宏观纳米催化剂是解决上述问题的重要方法。具有三维结构的石墨烯材料,由于较大的比表面积和较高的孔隙率而具有较大的通量更适合作为纳米催化剂的载体。在本文中,一方面通过各向同性的铁酸钴/石墨烯气凝胶对比证明了流动态体系的优势;另一方面通过定向冷冻干燥的方法得到排列均匀的各向异性石墨烯气凝胶,对前一体系加以改进后达到了更好的催化效果。具体的研究内容如下:(1)针对粉末状纳米催化剂易于团聚的问题,采用一步水热法合成一种新型的铁酸钴/石墨烯水凝胶,继而通过冷冻干燥制得各向同性气凝胶。十二烷基硫酸钠(SDS)有助于CoFe2O4纳米颗粒均匀负载在石墨烯片上,大大提高其催化效果;三维气凝胶结构的初始通量可以高达1600 L m-2 h-1,后稳定至300 L m-2 h-1。得益于石墨烯气凝胶的吸附作用和铁酸钴的催化作用,在60 mL h-1的恒定流速下,复合气凝胶可以在5h之内实现对25 ppm的靛蓝胭脂红(IC)溶液100%的降解,但随着流速增加至90 mL h-1和120 mL h-1后,IC溶液的降解效率呈下降趋势。结果表明,三维复合气凝胶在动态条件下降解水污染物具有显著优势。(2)为了解决各向同性铁酸钴/石墨烯复合气凝胶通量较低、稳定性差等问题,本工作采用定向冷冻技术使石墨烯片在水凝胶中垂直排列,从而得到各向异性的多孔结构。与各向同性气凝胶相比,有序排列的平行孔道不仅有助于获得高达1100 L m-2 h-1的稳定通量,还能降低污染物溶液对CoFe2O4的冲蚀,使得材料对多种染料(靛蓝胭脂红,甲基橙,橙Ⅲ和孔雀石绿)和有机物(苯酚和诺氟沙星)都显示出优异的降解效率。特别的是,改进后的材料可以连续处理废水,能够在30小时内对靛蓝胭脂红溶液实现100%的去除效率。除此之外,可以通过堆叠三维块体气凝胶,实现降解高流速下的高浓度污染物。这种具备优异的稳定性和催化活性的各向异性铁酸钴/石墨烯复合气凝胶有望成为废水处理的理想材料。