氧化石墨（烯）材料的制備、吸附性能及機理研究.pdf

1、石墨碳原子層之間相互平行疊置且以短程范德華力相聯(lián)系，其間形成相對疏松的層間域，結(jié)構(gòu)層上的π鍵具有金屬鍵的性質(zhì)。因此具有良好的可插層，可氧化及剝分性。然而石墨氧化的難易程度、反應(yīng)速率、反應(yīng)條件及化學(xué)試劑的選擇直接或間接的影響氧化石墨（GO）產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中官能團的類型和含量，進而影響結(jié)構(gòu)和陽離子交換性能?？煽刂苽涮囟ü倌軋F類型的GO，既可直接作為優(yōu)良的吸附材料，而且能為基于GO功能化材料在吸附領(lǐng)域的應(yīng)用提供更佳的前軀體。
　　本論文采用濃

2、H2SO4和KMnO4為反應(yīng)體系的Hummers法可控制備不同氧化程度的GO，研究了GO制備過程中的階段性特征；采用甲醛縮合法對不同氧化程度GO的陽離子交換容量（CEC）進行測定，并對GO的干、濕狀態(tài)及陽離子交換過程產(chǎn)物對比研究，查明陽離子交換機制及交換過程對GO結(jié)構(gòu)的影響；在GO制備、結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)（CEC性能）研究基礎(chǔ)上，進一步研究剝離后的GO即單層氧化石墨烯（GOs）對亞甲基藍（MB）的吸附性能及機理。
　　研究表明氧化劑（

3、KMnO4）足量時，反應(yīng)時間和溫度對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)特征有顯著影響。可控制備的低溫（0～4℃）反應(yīng)時間為180min，中溫（37℃）反應(yīng)時間為120min，以及在原始氧化石墨（PGO）中因加水而引起的升溫溫度控制在65～75℃最佳，改變KMnO4劑量時，石墨（002）面網(wǎng)的最大底面間距隨KMnO4劑量發(fā)生規(guī)律性變化；可控制備獲得低氧化程度的GO結(jié)構(gòu)層上碳羥基（C?OH）相對含量較高，高氧化程度時環(huán)氧基（C?O?C）和羰基（C=O）含量較高；通過

4、高倍光學(xué)顯微鏡對石墨的氧化過程在線分析發(fā)現(xiàn)KMnO4是石墨發(fā)生氧化插層的充分條件，而濃H2SO4與石墨不發(fā)生插層反應(yīng)，氧化過程由邊緣或缺陷處率先發(fā)生，并逐漸向面內(nèi)延伸。
　　不同氧化程度的GO官能團類型和含量上都表現(xiàn)出較大的差異，采用甲醛縮合法測定CEC結(jié)果表明并非隨著氧化程度的增加CEC一直增大，而是與結(jié)構(gòu)中含氧基團C?OH和?COOH含量（即可解離出H+的量）相關(guān)，可控氧化過程使GO-4樣品的CEC達到最大值541.81mmo

5、l?(100g)-1，繼續(xù)增大氧化程度，反而使CEC減??；水介質(zhì)中GO層間域內(nèi)的H+與其它陽離子可發(fā)生交換，并在層間域內(nèi)形成水化陽離子層，陽離子交換過程可逆；[NH4(H2O)6]+和[Ca(H2O)6]2+以水合陽離子形式在層間域內(nèi)與GO結(jié)構(gòu)層上的C-O-以氫鍵結(jié)合，陽離子交換前后GO結(jié)構(gòu)及官能團未發(fā)生明顯變化。
　　GO結(jié)構(gòu)層上的負電性及開放的層間域環(huán)境使其CEC值為蒙脫石的5～6倍，剝離后的GO（GOs-n）吸附亞甲基藍（M

6、B）的最大飽和吸附量依次為728.44、965.63和807.29mg·g-1，吸附過程符合準二級動力學(xué)模型，吸附量與GOs結(jié)構(gòu)中C-OH和-COOH含量成正相關(guān)；GOs結(jié)構(gòu)上去質(zhì)子化的C-O-和-COO-為主要活性位點與MB+發(fā)生化學(xué)控速的單分子層吸附；在氧化程度低時，GOs結(jié)構(gòu)中C-OH和-COOH官能團之間以離子交換吸附為主導(dǎo)取代H；氧化程度高時，GOs結(jié)構(gòu)中的C?O?C和 C=O含量增加與MB以氫鍵吸附作用增強，對吸附量的影響凸