[发明专利]一种基于纳米原电池效应的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于纳米原电池效应的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属(Cu/Fe/rGO)复合材料及其制备方法和应用。该Cu/Fe/rGO复合材料通过以下步骤制到：首先将石墨烯氧化物、二价铁盐和水合肼混合后进行还原反应制得石墨烯负载纳米零价铁复合材料；然后将石墨烯负载纳米零价铁与铜盐混合后进行置换反应，即可得到最终产物。本发明合成工艺简单，制备得到的Cu/Fe/rGO复合材料在吸附处理重金属过程中能够自发构筑完整的纳米级原电池(电动势约为：0.789V)，大大增加电子的定向传递速率，提高重金属离子还原吸附去除效率，从而实现基于纳米原电池快速氧化还原反应特性的重金属高效、快速还原去除。

技术领域

本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种基于纳米原电池效应的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

水环境中重金属污染具有长期性、累积性、潜伏性等特点，会严重危害生态环境和人类生命健康，以血铅、粮食铬为代表的涉重金属环境事件呈现多发频发态势。自国务院批复实施《重金属污染综合防治“十二五”规划》以来，重金属污染防治工作取得积极成效。尽管如此，我国重金属污染防控总体形势依然不容乐观，重点区域长期累积的重金属污染造成的环境风险隐患日益突出，部分重点区域地表水重金属超标问题仍较为突出，威胁群众健康和农产品质量安全，社会反映强烈。发展高毒性重金属高效去除新材料、新原理已成为水处理技术领域急需攻克的难关。

传统的重金属离子去除技术包括混凝沉淀法、吸附法、膜分离法、离子交换法、电化学法等，这些技术对水环境中重金属离子的去除主要是通过沉淀、离子交换、表面吸附、络合、拦截等物理化学作用，使得水中的重金属离子迁移至到材料表面，从而达到净化水体的效果，本质上来说仅仅是一种简单的离子迁移作用，重金属依然以高毒性离子态存在于材料表面，且极不稳定，后续处理中很容易脱附再次进入水环境或土壤中造成二次污染。因此亟需发展一种基于重金属还原、吸附相结合的新材料，将高毒性重金属转化成低毒或无毒的单质态进行吸附去除，解决重金属去除稳定性差、易脱附问题。

近年来纳米材料与技术的发展给重金属污染高效去除带来了革命性变化，而纳米级原电池效应的快速氧化还原反应特性能够大大增加重金属去除过程中电子传递速率，进一步提升重金属污染去除效率。通过在重金属吸附过程中建立完整的纳米级原电池回路，发展一种基于纳米原电池快速氧化还原反应特性的重金属还原去除新方法，将重金属离子快速还原成单质沉积在原电池正极，有望彻底解决重金属污染物重金属去除稳定性差、易脱附问题，实现高效、快速还原去除，具有重大的社会、经济和环境意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺点与不足，本发明的目的是提供一种基于纳米原电池效应的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属（Cu/Fe/rGO）复合材料的制备方法，该Cu/Fe/rGO复合材料中石墨烯充当导体，铁和铜分别充当阴极与阳极，利用石墨烯和惰性金属铜的表面覆盖保护，可以克服纳米零价铁不稳定性及表面钝化现象。该材料在处理重金属过程中能产生纳米级原电池效应，能够快速将重金属离子吸附在正电位铜（阴极）表面，之后重金属离子得到电子而被还原为金属单质沉积在Cu极表面。通过将纳米原电池效应用于重金属去除研究，发展一种基于Cu/Fe/rGO复合材料纳米原电池快速氧化还原反应特性的重金属高效、快速去除新方法，为重金属污染的去除和治理提供一种全新的思路。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于纳米原电池效应的石墨烯负载纳米零价铜/铁双金属（Cu/Fe/rGO）复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将石墨烯氧化物（GO）超声分散到水中，搅拌条件下滴加一定量的二价铁盐和水合肼，得到反应混合液，将反应混合液转移放入高压反应釜中进行还原反应；

步骤二、还原反应结束后对得到的产物进行抽滤洗涤，真空干燥，得到石墨烯负载纳米零价铁复合物（Fe/rGO）；

步骤三、将Fe/rGO重新分散到水中，加入铜盐后将其转移至高压反应釜中进行置换反应；