[发明专利]一种改性三维石墨烯水凝胶及其制备方法

说明书

本发明提供了一种改性三维石墨烯水凝胶及其制备方法，改性的三维石墨烯水凝胶氧元素与碳元素的含量比值为0.2～0.3，其表面形成了一些大小不一的多级孔洞；比表面积≥180m²/g,总孔容为0.08～0.12cm³/g，微孔孔容0.04～0.06cm³/g。以天然或人造石墨为原料，采用现有的Hummers法制备得到氧化石墨烯，再以水热还原自组装法合成三维石墨烯水凝胶，之后将三维石墨烯水凝胶浸入强氧化性的无机酸中，在温度40～100℃下反应1～12h，得到改性三维石墨烯水凝胶。本发明的经浓硝酸改性的三维石墨烯水凝胶，比表面积提高了至少一倍，可以有效提高石墨烯水凝胶的吸附速率及吸附量。

技术领域

本发明涉及一种石墨材料及其制备方法，特别涉及一种改性三维石墨烯水凝胶及其制备方法。

背景技术

在各种石墨烯材料中，三维石墨烯作为石墨烯组装体中的一员，制备简易，吸附性能优异，回收方便且对环境不会造成二次污染，可望成为一种理想的水污染物质吸附剂。目前的研究表明，通过将氧化石墨烯还原自组装成三维石墨烯是一种便捷且常用的得到三维石墨烯的方式，但是在制备过程中，石墨烯片层或多或少会有部分团聚，达不到理想的比表面积；且石墨烯宏观体与溶剂的接触面积较粉末型吸附剂差。

发明内容

本发明旨在提供一种比表面积大、吸附性能有较大改善的改性三维石墨烯水凝胶，并提供一种制备这种改性三维石墨烯水凝胶的制备方法。本发明通过以下方案实现。

一种改性三维石墨烯水凝胶，其中氧元素与碳元素的含量比值为0.2～0.3，，其表面形成了一些大小不一的多级孔洞，包括有孔径小于2nm的微孔，孔径2～50nm的中孔，和孔径50nm的大孔；比表面积≥180m²/g,总孔容为0.08～0.12cm³/g，微孔孔容0.04～0.06cm³/g。

特别地，当改性三维石墨烯水凝胶的水接触角为65°～71°，其亲水性更宜。采用水接触角测试仪对材料进行水接触角的测试。

在室温条件下，改性三维石墨烯水凝胶吸附中性有机阳离子染料亚甲基蓝平衡时的吸附量为450～520mg/g，速率常数7×10^-5g/mg·min。

上述改性三维石墨烯水凝胶的制备方法为：以天然或人造石墨为原料，可采用现有的Hummers法制备得到氧化石墨烯，将氧化石墨粉末在水中超声分散一段时间得到氧化石墨烯水溶液，再可通过现有技术的水热还原自组装法合成三维石墨烯水凝胶，即将氧化石墨烯的水溶液调节至呈弱碱性，再于一定温度下反应，得到三维石墨烯水凝胶，通常该温度为150～200℃。之后将三维石墨烯水凝胶浸入强氧化性的无机酸中，在温度40～100℃下反应1～12h，将取出的水凝胶水洗至呈中性，得到改性三维石墨烯水凝胶。所述强氧化性的无机酸浓硝酸、浓硫酸、王水或高氯酸的一种，且均为现有市售产品，如浓硝酸质量百分比浓度为65～68％、浓硫酸的质量百分比浓度为98％、高氯酸质量百分比浓度为70％。

当强氧化性的无机酸与水凝胶的体积比为(4～8)：1时，改性水凝胶的性能更佳。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、较现有的三维石墨烯水凝胶，本发明的经改性的三维石墨烯水凝胶，比表面积提高了至少一倍，并且出现了大量的微孔，这些互通且打开的微孔既有利于液体在其中的扩散，又可以提高液体在其中的毛细管凝聚吸附，因此可以有效提高石墨烯水凝胶的吸附速率及吸附量。

2、本发明的经改性的石墨烯水凝胶中的石墨烯片层上引入了更多的含氧官能团，同时生成更多C-N或C-S或C-Cl键，达到在石墨烯片层中掺杂更多氮、硫或氯元素的目的，有利于提高石墨烯片层与有机大分子之间的静电吸引力、氢键作用力及范德华力，从而提高石墨烯水凝胶与有机大分子的吸附亲和力。