[发明专利]一种多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及湿法冶金技术领域，具体涉及一种多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶及其制备方法和用途。本发明的多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶存在大量的三维孔洞结构，氮元素的质量百分含量在大于0％且小于等于17％的范围内可调；所述多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶，其可以在钍离子和稀土元素共存的条件下，实现钍与稀土元素的高效分离，极具应用前景。与传统的液‑液萃取相比，使用该气凝胶材料所进行的固相吸附避免了有机溶剂的消耗。

技术领域

本发明涉及湿法冶金技术领域，具体涉及一种多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶及其制备方法和在高效分离钍与稀土元素方面的用途。

背景技术

钍，元素符号Th，原子序数90，在元素周期表中属于锕系元素，具有一定的放射性，是由瑞典化学家贝莱利乌斯(Berzelius)在1928年从一种被称为“钍石”的矿物中发现的元素。²³²Th在核反应中可以转化为原子燃料²³³U，是一种潜在的核资源。核电技术的发展，使公众对核安全问题心存顾虑，于是许多国家纷纷关注更加安全的第四代核能系统。我国把眼光转往一种极有前途的、更安全、更环保的核燃料—钍核能。研制具有自主知识产权的钍基核能系统，将破解当前和未来核能发展所面临的诸多难题，特别是解决我国铀资源不足的问题，为我国的绿色发展提供不竭动力。钍资源绝大部分与稀土元素以伴生矿的形式存在于自然界中，钍基核能系统应用的前提是由含钍矿石或其他含钍原料制备核纯钍，此过程就需要将钍和其他稀土元素进行分离。因此开发高效核纯钍制备工艺，提高钍资源利用率至关重要。

石墨烯(Graphene)是具有单原子层结构的二维材料，因为具有奇特的光、电、热及机械性能受到了全世界科研人员的广泛关注。三维(Three dimensional，3D)石墨烯是由二维(Two Dimensional，2D)石墨烯单元自组装形成的结构体，可以有效避免二维石墨烯材料在使用过程中易团聚的缺点。以3D石墨烯材料为基础，经不同官能团的化学修饰，可有效赋予石墨烯材料新的化学性能，因而大大提高石墨烯材料的应用。

发明内容

为了改善现有技术中存在的不足，本发明以多胺类高分子聚合物或多胺类小分子化合物为还原剂，其与氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)经一步水热反应后，制备得到了具有多孔结构的多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶。并以该多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶为吸附材料，进行了钍与稀土元素分离的研究。研究发现，所述石墨烯基气凝胶可以应用于钍与稀土元素之间的高效分离。

本发明提供如下技术方案：

一种多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶，所述多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶是通过在水热条件下，利用多胺还原剂的还原性与氧化石墨烯一步反应而制得；其中，所述多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶具有下述结构：所述多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶具有一种由二维平面石墨烯通过自组装形成的三维的多孔结构，其表面含有伯胺、仲胺和叔胺官能团；所述多胺还原剂包括具有还原性的多胺类高分子聚合物和多胺类小分子化合物中的一种或多种。

根据本发明，所述三维石墨烯基气凝胶中氮元素的质量百分含量在大于0wt％且小于等于17wt％的范围内。

根据本发明，所述多胺类高分子聚合物选自聚乙烯亚胺(包括直链型、支链型)、聚苯胺、聚烯丙基胺中的一种或多种；所述多胺类小分子化合物选自二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺等中的一种或多种。

优选地，所述多胺还原剂选自聚乙烯亚胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺中的一种或多种。

本发明还提供了一种上述多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶的制备方法，其包括以下步骤：

1)分别配制多胺还原剂水溶液和氧化石墨烯分散液，混合，得到混合溶液；

2)将步骤1)的混合溶液进行水热反应，制备得到多胺功能化的三维石墨烯基气凝胶。