石墨烯的制备与吸附性能研究

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石墨烯是一种新型的碳纳米材料,拥有独特的物理化学性质,应用前景十分广阔。为了考察石墨烯作为有机污染物吸附剂的应用价值,本论文利用氧化还原法制备石墨烯,并采用透射电镜(TEM),X射线衍射(XRD),拉曼光谱(Raman),X射线光电子能谱(XPS),Zeta电位以及比表面积测试等手段对石墨烯样品进行表征;通过静态吸附实验和动态吸附实验,研究了石墨烯对亚甲基蓝和四环素的吸附去除能力,并考察不同温度、pH以及接触时间对吸附的影响,为石墨烯的环境应用提供理论依据。论文的主要内容有:(1)以鳞片石墨为原料,利用氧化还原法和冷冻干燥方式制备石墨烯。氮吸附-解吸实验测得石墨烯样品的比表面积为210.6m2/g;由TEM图片可知,石墨烯样品呈现出褶皱的片状结构,边缘处较透明,说明成功制得了单层或者片层较少的石墨烯;XRD谱图分析显示,石墨烯拥有类似于石墨的晶体结构;Ranman光谱与XPS分析结果表明,石墨烯表面因插层反应而引入的含氧官能团在还原阶段被去除。Zeta电位测试测得石墨烯样品的等电点在3.9左右。(2)石墨烯对亚甲基蓝的吸附在900min内达到吸附平衡,其吸附动力学符合伪二级动力学模型;在293±1K,303±1K,313±1K条件下石墨烯对亚甲基蓝的最大吸附量分别为171.31mg/g,200.08mg/g,232.07mg/g;吸附等温线符合Langmuir模型,说明吸附属于单分子层吸附;pH影响实验结果显示,碱性的溶液环境有利于吸附反应的进行;采用溶液吸附法,测得石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管以及石墨四种吸附剂的比表面积分别为222.7m2/g,1225m2/g,122m2/g,23.6m2/g。(3)石墨烯对四环素的吸附可以在20min内快速达到平衡,吸附动力学符合伪二级动力学模型;在293±1K,303±1K,313±1K条件下石墨烯对四环素的最大吸附量分别为172.1mg/g,278.2mg/g和467.6mg/g;吸附等温线符合Freundlich模型,表明吸附属于多分子层的化学性吸附;热力学计算结果表明吸附是自发进行的吸热反应;吸附反应的最佳pH条件为4~7;根据密度泛函理论,计算得出石墨表面、氧化墨烯表面与四环素分子的最高位占轨道能量值分别为-80.063Kcal/mol,-91.692Kcal/mol和-129.210Kcal/mol,说明三者的给电子能力大小顺序为石墨表面>氧化石墨烯表面>四环素分子;石墨烯与四环素之间的吸附作用机理主要包括静电作用,范德华力和π-键作用。
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