本發(fā)明屬于石墨烯材料領(lǐng)域，涉及一種多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑。
背景技術(shù)：
自從英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·k·海姆(andrek.geim)等在2004年制備出石墨烯材料以來(lái)，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)，石墨烯材料受到了廣泛的重視。單層石墨烯具有許多迷人的性能，例如：①高強(qiáng)度，楊氏模量(1,100gpa)，斷裂強(qiáng)度(125gpa)；②高熱導(dǎo)率(5,000w/mk)；③高導(dǎo)電性、高載流子傳輸率(200,000cm2/v·s)；④高比表面積(理論計(jì)算值：2,630m2/g)。尤其是超高的比表面積，使得其在吸附材料領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。通過(guò)組裝方法制備的石墨烯氣凝膠具有互通的孔道結(jié)構(gòu)，比表面積大，是目前石墨烯吸附材料的研究熱點(diǎn)。但是其力學(xué)性能差，結(jié)構(gòu)難保持，難以單獨(dú)用作吸附材料。
活性炭是目前最常用的吸附材料，其具有發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，巨大的比表面積和優(yōu)良的吸附性能，并且耐酸堿性好。近年來(lái)許多研究者試圖將活性炭和石墨烯復(fù)合。專(zhuān)利201310590113.7《一種石墨烯改性活性炭的制備方法》中將石墨烯和傳統(tǒng)木質(zhì)或者秸稈活性炭相匹配，經(jīng)高溫活化后得到石墨烯改性的活性炭，具有高比表面積，可用于電容器領(lǐng)域。專(zhuān)利201410330304.4《一種活性炭/石墨烯復(fù)合物的制備方法》將生物質(zhì)、碳氮化合物和過(guò)渡金屬化合物混合，高溫條件下直接原位生成活性炭/石墨烯復(fù)合材料，用于電化學(xué)領(lǐng)域。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)不足，提供一種多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑及其制備方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑，其特征在于，由活性炭和石墨烯組成，密度為0.2～0.8g/cm3，比表面積為500～2000m2/g，孔體積為0.3～2cm3/g。
一種多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)取10～30重量份的石墨，采用改進(jìn)hummers法制備氧化石墨烯，制備過(guò)程中，石墨和濃硫酸質(zhì)量比為10～30：100，反應(yīng)完全后得氧化石墨烯/濃硫酸分散液；
(2)取10～40重量份的糖類(lèi)粉體與1～5重量份的水混合均勻，加入到步驟(1)得到的氧化石墨烯/濃硫酸分散液中，不斷攪拌，得到粘稠糊狀物；
(3)將步驟(2)得到的粘稠糊狀物用去離子水洗滌至中性，獲得固體材料；
(4)將步驟(3)得到的固體材料烘干，放入管式爐中，在氮?dú)夥諊?，升溫?00～1300℃，保溫2～10h，得到多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑。
進(jìn)一步地，步驟(2)中所述的糖類(lèi)粉體為木糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、乳糖、淀粉、纖維素中的一種或多種。
本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明首先直接利用了氧化石墨烯制備結(jié)束后需要除去的濃硫酸，直接將糖類(lèi)粉體與濃硫酸反應(yīng)，一方面消耗了體系中多余的濃硫酸，避免了氧化石墨烯提純過(guò)程中繁瑣的洗滌、離心過(guò)程，降低能耗，節(jié)約成本，充分利用濃硫酸也降低了環(huán)境污染；另一方面，糖類(lèi)粉體和濃硫酸反應(yīng)后得到的多孔碳骨架被氧化石墨烯包裹，原位形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。洗滌中加入的水使體系迅速升溫并活化多孔結(jié)構(gòu)。洗滌干燥后的碳/氧化石墨烯經(jīng)高溫還原最終得到活性炭/石墨烯復(fù)合吸附劑，高溫還原時(shí)脫除的含氧基團(tuán)產(chǎn)生氣體，使得石墨烯片與片之間撐開(kāi)，得到微孔結(jié)構(gòu)，并且在活性炭上進(jìn)一步造孔，使得材料整體的孔體積增大。本發(fā)明得到的多孔吸附劑具有高比表面積(500～2000m2/g)，高孔體積(0.3～2cm3/g)和低密度(0.2～0.8g/cm3)，石墨烯的包覆使得材料整體更耐腐蝕，可用于空氣凈化、水處理、催化載體、電化學(xué)材料等領(lǐng)域。
具體實(shí)施方式
制備多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑的方法包括如下步驟：
(1)取10～30重量份的石墨，采用改進(jìn)hummers法制備氧化石墨烯，制備過(guò)程中，石墨和濃硫酸質(zhì)量比為10～30：100，反應(yīng)完全后得氧化石墨烯/濃硫酸分散液；(2)取10～40重量份的糖類(lèi)粉體與1～5重量份的水混合均勻，加入到步驟(1)得到的氧化石墨烯/濃硫酸分散液中，不斷攪拌，得到粘稠糊狀物。所述的糖類(lèi)粉體為木糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、乳糖、淀粉、纖維素中的一種或多種；(3)將步驟(2)得到的粘稠糊狀物用去離子水洗滌至中性，獲得固體材料；(4)將步驟(3)得到的固體材料烘干，放入管式爐中，在氮?dú)夥諊拢郎刂?00～1300℃，保溫2～10h，得到多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑。
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述，本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改變和調(diào)整均屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1：
(1)取10重量份的石墨，采用改進(jìn)hummers法制備氧化石墨烯，制備過(guò)程中，石墨和濃硫酸質(zhì)量比為10：100，反應(yīng)完全后得氧化石墨烯/濃硫酸分散液；
(2)取10重量份的蔗糖與1重量份的水混合均勻，加入到步驟(1)得到的氧化石墨烯/濃硫酸分散液中，不斷攪拌，得到粘稠糊狀物；
(3)將步驟(2)得到的粘稠糊狀物用去離子水洗滌至中性，獲得固體材料；
(4)將步驟(3)得到的固體材料烘干，放入管式爐中，在氮?dú)夥諊?，升溫?000℃，保溫2h，得到多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑。
經(jīng)以上步驟，得到的多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑為黑色泡沫狀，密度為0.39g/cm3，比表面積為1340m2/g，孔體積為1.46cm3/g，亞甲藍(lán)吸附值為366ml/g。
實(shí)施例2：
(1)取25重量份的石墨，采用改進(jìn)hummers法制備氧化石墨烯，制備過(guò)程中，石墨和濃硫酸質(zhì)量比為25：100，反應(yīng)完全后得氧化石墨烯/濃硫酸分散液；
(2)取10重量份的蔗糖與1重量份的水混合均勻，加入到步驟(1)得到的氧化石墨烯/濃硫酸分散液中，不斷攪拌，得到粘稠糊狀物；
(3)將步驟(2)得到的粘稠糊狀物用去離子水洗滌至中性，獲得固體材料；
(4)將步驟(3)得到的固體材料烘干，放入管式爐中，在氮?dú)夥諊?，升溫?000℃，保溫2h，得到多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑。
經(jīng)以上步驟，得到的多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑為黑色泡沫狀，密度為0.25g/cm3，比表面積為1690m2/g，孔體積為1.12cm3/g，亞甲藍(lán)吸附值為391ml/g。
實(shí)施例3：
(1)取30重量份的石墨，采用改進(jìn)hummers法制備氧化石墨烯，制備過(guò)程中，石墨和濃硫酸質(zhì)量比為30：100，反應(yīng)完全后得氧化石墨烯/濃硫酸分散液；
(2)取10重量份的蔗糖與1重量份的水混合均勻，加入到步驟(1)得到的氧化石墨烯/濃硫酸分散液中，不斷攪拌，得到粘稠糊狀物；
(3)將步驟(2)得到的粘稠糊狀物用去離子水洗滌至中性，獲得固體材料；
(4)將步驟(3)得到的固體材料烘干，放入管式爐中，在氮?dú)夥諊?，升溫?300℃，保溫2h，得到多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑。
經(jīng)以上步驟，得到的多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑為黑色泡沫狀，密度為0.2g/cm3，比表面積為1860m2/g，孔體積為1.97cm3/g，，亞甲藍(lán)吸附值為416ml/g。
實(shí)施例4：
(1)取10重量份的石墨，采用改進(jìn)hummers法制備氧化石墨烯，制備過(guò)程中，石墨和濃硫酸質(zhì)量比為10：100，反應(yīng)完全后得氧化石墨烯/濃硫酸分散液；
(2)取20重量份的蔗糖與1.5重量份的水混合均勻，加入到步驟(1)得到的氧化石墨烯/濃硫酸分散液中，不斷攪拌，得到粘稠糊狀物；
(3)將步驟(2)得到的粘稠糊狀物用去離子水洗滌至中性，獲得固體材料；
(4)將步驟(3)得到的固體材料烘干，放入管式爐中，在氮?dú)夥諊?，升溫?00℃，保溫2h，得到多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑。
經(jīng)以上步驟，得到的多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑為黑色泡沫狀，密度為0.51g/cm3，比表面積為1420m2/g，孔體積為1.1cm3/g，亞甲藍(lán)吸附值為334ml/g。
實(shí)施例5：
(1)取10重量份的石墨，采用改進(jìn)hummers法制備氧化石墨烯，制備過(guò)程中，石墨和濃硫酸質(zhì)量比為10：100，反應(yīng)完全后得氧化石墨烯/濃硫酸分散液；
(2)取30重量份的蔗糖與4重量份的水混合均勻，加入到步驟(1)得到的氧化石墨烯/濃硫酸分散液中，不斷攪拌，得到粘稠糊狀物；
(3)將步驟(2)得到的粘稠糊狀物用去離子水洗滌至中性，獲得固體材料；
(4)將步驟(3)得到的固體材料烘干，放入管式爐中，在氮?dú)夥諊拢郎刂?00℃，保溫2h，得到多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑。
經(jīng)以上步驟，得到的多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑為黑色泡沫狀，密度為0.68g/cm3，比表面積為1150m2/g，孔體積為0.73cm3/g，亞甲藍(lán)吸附值為309ml/g。
實(shí)施例6：
(1)取30重量份的石墨，采用改進(jìn)hummers法制備氧化石墨烯，制備過(guò)程中，石墨和濃硫酸質(zhì)量比為10：100，反應(yīng)完全后得氧化石墨烯/濃硫酸分散液；
(2)取40重量份的糖類(lèi)粉體與5重量份的水混合均勻，加入到步驟(1)得到的氧化石墨烯/濃硫酸分散液中，不斷攪拌，得到粘稠糊狀物；
(3)將步驟(2)得到的粘稠糊狀物用去離子水洗滌至中性，獲得固體材料；
(4)將步驟(3)得到的固體材料烘干，放入管式爐中，在氮?dú)夥諊?，升溫?300℃，保溫2h，得到多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑。
經(jīng)以上步驟，得到的多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑為黑色泡沫狀，密度為0.79g/cm3，比表面積為520m2/g，孔體積為0.33cm3/g，亞甲藍(lán)吸附值為265ml/g。
實(shí)施例7：
(1)取10重量份的石墨，采用改進(jìn)hummers法制備氧化石墨烯，制備過(guò)程中，石墨和濃硫酸質(zhì)量比為10：100，反應(yīng)完全后得氧化石墨烯/濃硫酸分散液；
(2)取20重量份的淀粉與4重量份的水混合均勻，加入到步驟(1)得到的氧化石墨烯/濃硫酸分散液中，不斷攪拌，得到粘稠糊狀物；
(3)將步驟(2)得到的粘稠糊狀物用去離子水洗滌至中性，獲得固體材料；
(4)將步驟(3)得到的固體材料烘干，放入管式爐中，在氮?dú)夥諊?，升溫?00℃，保溫10h，得到多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑。
經(jīng)以上步驟，得到的多孔石墨烯/活性炭復(fù)合吸附劑為黑色泡沫狀，密度為0.58g/cm3，比表面積為1370m2/g，孔體積為0.88cm3/g，亞甲藍(lán)吸附值為341ml/g。