[发明专利]一种用于纯化水的复合纳米材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料应用技术领域，具体涉及一种用于纯化水的复合纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

对纳米材料的研究是当今科学研究中一个前沿领域，也是全世界许多科学工作者研究的热点。纳米材料的神奇之处和还不为人们所识的方面更是引起了人们的广泛关注；对纳米材料进行制备的研究和应用更是目前的热点和难点，也是发展高科技的重点。

近些年来，以石墨烯、活性炭为代表的碳纳米材料在处理水体杂质或污染物方面取得了较为广泛的研究，目前市场上用于水处理的活性炭材料，其作用原理主要是通过物理吸附作用的方式将污染物与水进行分离。但采用活性炭为水处理剂，存在一些问题，如活性炭的吸附量与成本的比值还需进一步提高，且其吸附为物理吸附，容易造成二次污染。石墨烯(graphene)是一种单层片状结构的碳质新材料，理论比表面积高达2600m²/g及力学性能优异(1060GPa)。氧化石墨烯是石墨烯功能化的衍生物，氧化石墨烯的结构与石墨烯类似，接近平面并呈现二维网状结构，所不同的是，氧化石墨烯表面富含有多种含氧官能团，如C-O,C-OOH,C-OH等。氧化石墨烯由于表面存在大量的高反应活性的含氧官能团，并且具有类似于石墨烯的突出的力学性能和较大的比表面积，不仅可以与多种金属氧化物结合形成复合材料，并且能够吸附多种离子，特别适合作为环境友好的吸附剂，并具有可重复利用以及吸附平衡时间短等优点。而且，通过氧化石墨烯与金属氧化物复合后能提高其吸附能力，并能使金属氧化物与织网复合形成牢固的复合材料，使氧化石墨烯与金属氧化物在吸附之后能较容易地从水中取出。

CN10197362描述了单层氧化石墨烯片材作为重金属离子吸附剂的用途。再一次，预期这样的片材对正被吸附的大溶质和小溶质二者都是非选择性的，因为此相互作用仅仅是表面效应。Sun等人(Selective Ion Penetration of Graphene Oxide Membranes；ACS Nano 7,428(2013))描述了氧化石墨烯膜的选择性离子渗透，其中氧化石墨烯通过蠕虫状石墨的氧化形成。就它们不与载体材料相关联而言，该膜是独立式的。所得的氧化石墨烯包含比从天然石墨制备的氧化石墨烯更多的氧官能团，并且由此材料形成的叠层具有褶皱的表面形貌。CN102744030 A制备了由氧化石墨和硒纳米颗粒组成的水处理剂，虽然该吸附剂比单独的石墨碳材料有更加优异的吸附性能，但其表面性质还不够优异，大规模应用时整体吸附性能还有待提高。

然而，上述的碳材料吸附剂要么存在选择性不佳，同时也会存在吸附性能不好的缺陷，将其应用于水的纯化处理还需要进一步改进，活性性能持续改进的新型高效吸附材料是现阶段研发的重点工作，而以石墨烯和纳米碳为基础的复合纳米材料被认为具有良好前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合纳米材料，该复合纳米材料克服传统吸附材料的缺陷，在应用于水的纯化时展现出优异的吸附性能，为工业化大规模应用提供了前景。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于纯化水的复合纳米材料，所述复合纳米材料由占复合材料15～65wt％的氧化石墨烯、30～60wt％的碳纳米颗粒以及5～10wt％硒纳米颗粒组成，所述碳纳米颗粒和硒纳米颗粒生长在氧化石墨烯纳米片的表面，所述纳米片的厚度为4～10nm，硒纳米颗粒的粒径为30～120nm，材料比表面积为800～1000m²/g，孔容为0.3～0.4cm³/g。

其中，所述复合纳米材料的制备方法包括如下步骤：

(1)氧化石墨烯的制备：在0℃冰浴下，将0.015～0.072g石墨粉分散到20～25mL浓硫酸中，搅拌下加入KMnO₄，所加KMnO₄的质量是石墨粉的3～4倍，搅拌30～60分钟，温度上升至30～35℃，加入40～50ml去离子水，搅拌20～30分钟，加入10～15ml质量浓度30％的H₂O₂，搅拌5～20分钟，经过离心分离，用质量浓度5％的HCl溶液、去离子水和丙酮反复洗涤后得到氧化石墨纳米片；然后将得到的氧化石墨产物置于250mL烧瓶中，加入150mL的溶剂，将烧瓶置于120Hz的超声清洗机中超声1h，除去溶剂，即得到氧化石墨烯；