液相法一步自下而上制備石墨烯及其吸附性能研究.pdf

1、碳原子以sp2雜化方式成鍵，并相互連接成類似蜂巢狀的二維晶格平面，這種二維的碳材料稱之為石墨烯，它的結(jié)構(gòu)賦予了其在電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等方面擁有獨(dú)特的性質(zhì)，在成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)的同時(shí)已顯示出誘人的應(yīng)用前景，比如納米器件、傳感器、太陽(yáng)能電池、晶體管和環(huán)境等領(lǐng)域。對(duì)石墨烯的研究和應(yīng)用而言，其關(guān)鍵在于石墨烯的低成本規(guī)?；苽?。到目前為止，已經(jīng)有許多制備石墨烯的方法，如機(jī)械剝離法、切割碳納米管法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法、熱還原法和還原氧化石

2、墨法等，大多屬于自上而下合成，明顯的缺陷就是無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的制備。在這些方法當(dāng)中，有著高產(chǎn)率、原料易得和步驟簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的還原氧化石墨法最有希望使石墨烯的規(guī)?；苽涑蔀榭赡埽摲椒ㄒ泊嬖谶€原不充分、在還原及后處理過(guò)程中產(chǎn)品容易出現(xiàn)再次堆疊和團(tuán)聚、環(huán)境友好性差等諸多問(wèn)題。因此，如何以簡(jiǎn)單的化學(xué)方法制備具有較高比表面積石墨烯，仍是一項(xiàng)非常值得研究的工作。
　　基于上述事實(shí)，本論文探索了多種通過(guò)自下而上途徑制備石墨烯以及石墨烯/磁性材料

3、復(fù)合物的方法，研究了無(wú)機(jī)納米顆粒和碳源對(duì)產(chǎn)品石墨烯比表面積的影響，并針對(duì)當(dāng)前由于快速工業(yè)化所帶來(lái)的非常普遍而嚴(yán)峻的水污染問(wèn)題，著重研究產(chǎn)品對(duì)水中有機(jī)染料的吸附性能。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.液氨-堿金屬體系：在制備好的液氨堿金屬溶液中，慢慢滴入四氯乙烯，二者迅速反應(yīng)，脫掉氯原子的四氯乙烯母體自身相互結(jié)合在一起形成穩(wěn)定的六元環(huán)苯環(huán)，并以此為基礎(chǔ)逐漸長(zhǎng)成二維的尺寸達(dá)數(shù)百納米的紙狀石墨烯。通過(guò)該自下而上路徑得到的石墨烯產(chǎn)品經(jīng)短時(shí)間真空

4、高溫煅燒后，顯示了良好的染料吸附性能。到目前為止還沒(méi)有采用該體系常壓制備石墨烯的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。這種方法具有反應(yīng)步驟簡(jiǎn)單、環(huán)境友好和后處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可擴(kuò)展到其它氧化石墨烯或石墨烯復(fù)合材料的制備。
　　2.低溫常壓法：受到第一部分工作的啟示，將金屬鉀和六氯代苯添加到高沸點(diǎn)惰性有機(jī)溶劑中，在常壓和較低的溫度下通過(guò)自下而上路徑成功制備了具有較高比表面積的石墨烯，且產(chǎn)品對(duì)有機(jī)染料顯示了良好的吸附性能。此外，引入納米Ni顆粒(20～100n

5、m)到反應(yīng)體系中，在阻止石墨烯堆疊和團(tuán)聚的同時(shí)實(shí)現(xiàn)二者的復(fù)合，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品對(duì)染料高效率的吸附和分離。該反應(yīng)路線可一步成功制備具有高比表面積(600～1000m2/g)和良好吸附性能的石墨烯及其復(fù)合物產(chǎn)品。到目前為止，還沒(méi)有采用該體系常壓制備石墨烯的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。
　　3.溶劑熱法：在第二部分工作的基礎(chǔ)上，采用低沸點(diǎn)溶劑，將反應(yīng)移入高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行，通過(guò)自下而上路徑成功制備了具有高比表面積的石墨烯，且產(chǎn)品對(duì)有機(jī)染料顯示了良好的吸附

6、性能。此外，引入納米Fe3O4顆粒到反應(yīng)體系中，阻止石墨烯堆疊和團(tuán)聚的同時(shí)并實(shí)現(xiàn)二者的復(fù)合，增強(qiáng)產(chǎn)品對(duì)染料高效率的吸附和分離。同時(shí)，我們研究了碳源和納米Fe3O4顆粒百分含量對(duì)產(chǎn)品比表面積的影響(CCl4：381.9m2/g；C2Cl4，593.7m2/g；C6Cl6：1439m2/g)。該方法可一步成功制備具有高比表面積(800～1500m2/g)和良好吸附性能的石墨烯及其復(fù)合物產(chǎn)品。
　　4.超聲輻射法：以第二部分和第三部分工

7、作為基礎(chǔ)，改用金屬鈉，反應(yīng)體系在超聲輻射的援助下，無(wú)需外部熱源即在非常短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)自下而上路徑成功制備了具有高比表面積的石墨烯，且產(chǎn)品對(duì)有機(jī)染料顯示了良好的吸附性能。在此基礎(chǔ)上，考察了納米Ni顆粒含量和尺寸對(duì)比表面積的影響，結(jié)果顯示納米Ni顆粒含量影響明顯，而尺寸影響較弱。該方法具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)，如反應(yīng)時(shí)間超短(≤10min)、產(chǎn)品質(zhì)量高和高產(chǎn)率等，非常有利于一步快速制備具有高比表面積(1100～1400m2/g)和良好吸附性能的石