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)等方面擁有獨特的性質(zhì)，在成為當(dāng)前研究熱點的同時已顯示出誘人的應(yīng)用前景，比如納米器件、傳感器、太陽能電池、晶體管和環(huán)境等領(lǐng)域。對石墨烯的研究和應(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，明顯的缺陷就是無法實現(xiàn)規(guī)模化的制備。在這些方法當(dāng)中，有著高產(chǎn)率、原料易得和步驟簡單等特點的還原氧化石墨法最有希望使石墨烯的規(guī)模化制備成為可能，但該方法也存在還原不充分、在還原及后處理過程中產(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題。因此，如何以簡單的化學(xué)方法制備具有較高比表面積石墨烯，仍是一項非常值得研究的工作。
　　基于上述事實，本論文探索了多種通過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，研究了無機(jī)納米顆粒和碳源對產(chǎn)品石墨烯比表面積的影響，并針對當(dāng)前由于快速工業(yè)化所帶來的非常普遍而嚴(yán)峻的水污染問題，著重研究產(chǎn)品對水中有機(jī)染料的吸附性能。主要研究內(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)逐漸長成二維的尺寸達(dá)數(shù)百納米的紙狀石墨烯。通過該自下而上路徑得到的石墨烯產(chǎn)品經(jīng)短時間真空

4、高溫煅燒后，顯示了良好的染料吸附性能。到目前為止還沒有采用該體系常壓制備石墨烯的相關(guān)文獻(xiàn)報道。這種方法具有反應(yīng)步驟簡單、環(huán)境友好和后處理簡單等優(yōu)點，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惰性有機(jī)溶劑中，在常壓和較低的溫度下通過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)聚的同時實現(xiàn)二者的復(fù)合，進(jìn)一步實現(xiàn)產(chǎn)品對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，還沒有采用該體系常壓制備石墨烯的相關(guān)文獻(xiàn)報道。
　　3.溶劑熱法：在第二部分工作的基礎(chǔ)上，采用低沸點溶劑，將反應(yīng)移入高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行，通過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)聚的同時并實現(xiàn)二者的復(fù)合，增強(qiáng)產(chǎn)品對染料高效率的吸附和分離。同時，我們研究了碳源和納米Fe3O4顆粒百分含量對產(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，無需外部熱源即在非常短的時間內(nèi)通過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，如反應(yīng)時間超短(≤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