一種石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石墨烯?三聚氰胺泡沫氣凝膠及其制備方法，所述氣凝膠為黑色塊狀，密度為8?15mg/cm3，比表面積為100~500m2/g，步驟包括：（1）將氧化石墨烯與去離子水混合得到氧化石墨烯水溶液；（2）將氧化石墨烯水溶液與還原劑混合得到混合液，然后將三聚氰胺泡沫放入混合液中，經(jīng)恒溫水熱反應(yīng)得到石墨烯?三聚氰胺泡沫水凝膠；（3）將水凝膠置于溶劑中進(jìn)行清洗，再經(jīng)冷凍干燥得到石墨烯?三聚氰胺泡沫氣凝膠。本發(fā)明利用超親水的三聚氰胺泡沫作為骨架結(jié)構(gòu)，形成石墨烯氣凝膠，使其易于浸入水中，能夠快速吸附水中有機(jī)污染物；同時，由于三聚氰胺泡沫的加入，提高了氣凝膠的壓縮性能，且可以循環(huán)利用。
【專利說明】
一種石墨烯-三聚氰胺泡沬氣凝膠及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種氣凝膠的制備方法，具體涉及一種石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)和科技的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，有效的防護(hù)和治理已成為亟待解決的問題。水污染問題對日常生活影響最為直接，嚴(yán)重威脅身體健康。如何有效處理工業(yè)廢水中的重金屬離子、有機(jī)溶劑和有機(jī)染料一直受到研究者們的關(guān)注。目前，吸附法是解決水體污染最高效、簡便、低成本的處理方法。廣泛采用的吸附劑為生物材料以及活性炭等，這些材料成本低廉、使用方便，但吸附容量較小吸附速率慢。因此，尋找高吸附效率材料迫在眉睫。氣凝膠是一種低密度、孔體積大、比表面積高的納米多孔材料，其特殊的結(jié)構(gòu)是理想的吸附材料。
[0003]近幾年石墨烯材料以其優(yōu)異的性能引起全世界的廣泛關(guān)注。石墨烯基材料也在儲能、電容器、傳感器、電極等方面發(fā)揮出重要價值。石墨烯氣凝膠具有極高的比表面積，是理想的吸附材料。但石墨烯表面能較高呈現(xiàn)出疏水性，現(xiàn)階段主要用于油品的吸附，如中國專利104993138A公開了一種石墨烯復(fù)合材料氣凝膠的制備方法及其應(yīng)用，中國專利公開了105251459A—種高吸油石墨烯復(fù)合材料的制備方法。在處理污水中的有機(jī)污染物時，由于不能浸入水中，接觸面積急劇減小，其吸附能力大大受到了限制，因此，開發(fā)出在水中仍能保持高效吸附能力的石墨烯氣凝膠對于水污染的處理具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]解決的技術(shù)問題:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠及其制備方法，利用超親水的三聚氰胺泡沫作為骨架結(jié)構(gòu)，與石墨烯復(fù)合形成氣凝膠，使其易于浸入水中，能夠快速吸附水中有機(jī)污染物；同時，由于三聚氰胺泡沫的加入，提高了氣凝膠的壓縮性能，且可以循環(huán)利用。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明提供的一種石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠，為黑色塊狀，密度為8-15mg/cm3，比表面積為 100?500m2/g。
[0006]本發(fā)明提供的一種石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠的制備方法，其包括以下制備步驟:
(1)將氧化石墨烯與去離子水混合，超聲分散l-5h，得到氧化石墨烯水溶液，所述氧化石墨稀水溶液的濃度為1-4mg/ mL ；
(2)將步驟(I)得到的氧化石墨烯水溶液與還原劑混合得到混合液，然后將三聚氰胺泡沫清洗后放入混合液中，經(jīng)恒溫水熱反應(yīng)，得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝膠;所述還原劑與氧化石墨烯的質(zhì)量比為0.07?11:1，所述恒溫水熱反應(yīng)的溫度為70-180°C，反應(yīng)的時間為2-20h；
(3)將步驟(2)得到的石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝膠置于溶劑中進(jìn)行清洗，時間為24-48h，再經(jīng)冷凍干燥，得到石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠;所述冷凍干燥的溫度為-70?-50°C，時間為24-72h。
[0007]步驟(2)所述三聚氰胺泡沫為白色塊狀，開孔率為99%以上。
[0008]步驟(2)所述還原劑為抗壞血酸、聚多巴胺、硫化鈉中的一種或兩種混合，混合質(zhì)量比為5?25:1。
[0009]步驟(3)所述溶劑為去離子水、叔丁醇、乙醇中的一種或兩種混合，混合體積比為I?3:1。
[0010]有益效果:(1)本發(fā)明操作簡單易于實現(xiàn)，以三聚氰胺泡沫作為骨架結(jié)構(gòu)，提高了石墨烯的親水性能，易于浸入水中，吸附水中有機(jī)污染物如亞甲基藍(lán)。
[0011](2)本發(fā)明制備得到的石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠具有豐富的孔洞結(jié)構(gòu)，能夠?qū)喖谆{(lán)等進(jìn)行快速吸附，在循環(huán)10次后吸附效率仍能達(dá)到95%。
【附圖說明】
[0012]圖1為實施例1制備的石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠的掃描電鏡圖片；
圖2為實施例1制備的石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠快速吸附亞甲基藍(lán)的紫外光譜圖； 圖3為實施例1制備的石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠循環(huán)吸附效率圖；
圖4為實施例1制備的石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠快速壓縮吸收亞甲基藍(lán)的數(shù)碼照片。
【具體實施方式】
[0013]下面通過實施例的方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不因此局限于下述實施例，而是由本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書限定。
[OOM]實施例中氧化石墨稀采用Hummers法制備，制備方法如下:首先，量取30mL濃硫酸，加入燒瓶中用冰浴冷卻30 min;加入2.5g硝酸鈉和5g鱗片石墨，中速攪拌15min;再向其中緩慢加入5 g高錳酸鉀，并攪拌，在加入高錳酸鉀的期間保持體系溫度維持在5 °C以下，待全部加入完畢后再保持?jǐn)嚢?0 min;再將水浴溫度升高到35-40°C，得到粘稠狀物質(zhì)，保持Ih后升高溫度至80°C;向體系中逐滴滴加去離子水，此時反應(yīng)劇烈放熱，并有濃煙生成;待反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，加入1mL雙氧水，溶液由黑色變?yōu)樽攸S色;靜置沉淀一夜后將上清液棄去，用3%鹽酸清洗下層沉淀物，離心分離后再次洗滌;最后用去離子水進(jìn)行洗滌，直至洗為中性，將最終產(chǎn)物低溫烘干備用。
[0015]實施例1
稱取40 mg氧化石墨烯，溶于20mL去離子水中，超聲分散3h形成均勻氧化石墨烯水溶液。取I OmL氧化石墨烯水溶液，與I OOmg的抗壞血酸混合均勻后放入從蘇州鑫可瑞公司購買的三聚氰胺泡沫，置于80°C烘箱中保持3h，得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝膠;將水凝膠在去離子水中置換24h后，在-70°C下冷凍干燥24h，制備出石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠。
[0016]本實施例制備的氣凝膠為黑色塊狀，密度為Ilmg/cm3，比表面積為236m2/g。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，在三聚氰胺泡沫骨架上包覆著石墨烯片層。
[0017]本實施例制備的氣凝膠對亞甲基藍(lán)溶液的快速吸收效果測試如下:配置濃度為10mg/L的亞甲基藍(lán)溶液，取100 mL于瓶中，加入50mg石墨稀-三聚氰胺泡沫氣凝膠，以200 rpm的速度進(jìn)行搖晃，每20s取2mL液體進(jìn)行紫外吸光度測試，約80s亞甲基藍(lán)被吸收完全，檢測不到亞甲基藍(lán)的紫外特征峰，紫外檢測效果如圖2所示。對于亞甲基藍(lán)的最大吸收量為265mg/g，對結(jié)晶紫的最大吸收量為298 mg/g，對橙黃G的最大吸收量為56 mg/g。
[0018]本實施例制備的氣凝膠經(jīng)過10次的循環(huán)使用后吸附效果仍保持95%以上，如圖3所示。將氣凝膠裝入針管中并注入藍(lán)色的亞甲基藍(lán)溶液，推動活塞后從針頭擠出的溶液變?yōu)闊o色透明，快速吸附效果圖如圖4所示。
[0019]實施例2
稱取20 mg氧化石墨烯，溶于20 mL去離子水中，超聲分散Ih形成成氧化石墨烯水溶液。取16 mL氧化石墨稀水溶液，加入160 mg的抗壞血酸與4 mL濃度為2 mg/mL的多巴胺溶液混合均勻后放入三聚氰胺泡沫，置于95°C烘箱中保持12h，得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝膠。將水凝膠在去叔丁醇中置換24h后，在-70°C下冷凍干燥48h，制備出石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠。
[0020]本實施例制備的氣凝膠為黑色塊狀，密度為14mg/cm3，比表面積為318m2/g。對于亞甲基藍(lán)的最大吸收量為282mg/g，對結(jié)晶紫的最大吸收量為319 mg/g，對橙黃G的最大吸收量為67 mg/g ο對亞甲基藍(lán)的快速吸附時間為70s。
[0021]實施例3
稱取60 mg氧化石墨烯，溶于20 mL去離子水中，超聲分散4h形成均勻氧化石墨烯水溶液。取18 mL氧化石墨烯水溶液，加入2 mL濃度為2 mg/mL的多巴胺溶液混合均勻后放入三聚氰胺泡沫，置于95°C烘箱中保持20h，得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝膠。將水凝膠在去乙醇中置換24h后，在-70 0C下冷凍干燥72h，制備出石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠。
[0022]本實施例制備的氣凝膠為黑色塊狀，密度為9mg/cm3，比表面積為276m2/g。對于亞甲基藍(lán)的最大吸收量為241mg/g，對結(jié)晶紫的最大吸收量為276mg/g，對橙黃G的最大吸收量為49 mg/g。對亞甲基藍(lán)的快速吸附時間為88s。
[0023]實施例4
稱取20 mg氧化石墨烯，溶于20 mL去離子水中，超聲分散4h形成均勻氧化石墨烯水溶液。取20 mL氧化石墨烯水溶液，加入10mg硫化鈉，混合均勻后放入三聚氰胺泡沫，置于70°C烘箱中保持3h，得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝膠。將水凝膠在1:1的乙醇與水混合液中置換24h后，在-70 0C下冷凍干燥48h，制備出石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠。
[0024]本實施例制備的氣凝膠為黑色塊狀，密度為lOmg/cm3，比表面積為185m2/g。對于亞甲基藍(lán)的最大吸收量為241mg/g，對結(jié)晶紫的最大吸收量為217mg/g，對橙黃G的最大吸收量為38 mg/g ο對亞甲基藍(lán)的快速吸附時間為92s。
【主權(quán)項】
1.一種石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠，其特征在于為黑色塊狀，密度為8-15mg/cm3，比表面積為 100~500m2/g。2.如權(quán)利要求1所述的一種石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠的制備方法，其特征在于包括以下制備步驟: (1)將氧化石墨烯與去離子水混合，超聲分散l_5h，得到氧化石墨烯水溶液，所述氧化石墨稀水溶液的濃度為1-4mg/ mL ； (2)將步驟(I)得到的氧化石墨烯水溶液與還原劑混合得到混合液，然后將三聚氰胺泡沫清洗后放入混合液中，經(jīng)恒溫水熱反應(yīng)，得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝膠;所述還原劑與氧化石墨烯的質(zhì)量比為0.07?11:1，所述恒溫水熱反應(yīng)的溫度為70-180°C，反應(yīng)的時間為2-20h； (3)將步驟(2)得到的石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝膠置于溶劑中進(jìn)行清洗，時間為24-48h，再經(jīng)冷凍干燥，得到石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠;所述冷凍干燥的溫度為-70?-50°C，時間為24-72h。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠的制備方法，其特征在于步驟(2 )所述三聚氰胺泡沫為白色塊狀，開孔率為99%以上。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠的制備方法，其特征在于步驟(2)所述還原劑為抗壞血酸、聚多巴胺、硫化鈉中的一種或兩種混合，混合質(zhì)量比為5?25:1o5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯-三聚氰胺泡沫氣凝膠的制備方法，其特征在于步驟(3)所述溶劑為去離子水、叔丁醇、乙醇中的一種或兩種混合，混合體積比為I?3:1。
【文檔編號】C02F101/34GK106000366SQ201610353363
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】晏超, 堵晴川, 許凡
【申請人】江蘇科技大學(xué)