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(shí)，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(duì)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(jiǎn)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(chǔ)能、電容器、傳感器、電極等方面發(fā)揮出重要價(jià)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(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(jiǎn)單易于實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式】
[0013]下面通過實(shí)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(shí)施例，而是由本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書限定。
[OOM]實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施例制備的氣凝膠對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的快速吸收效果測(cè)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(cè)試，約80s亞甲基藍(lán)被吸收完全，檢測(cè)不到亞甲基藍(lán)的紫外特征峰，紫外檢測(cè)效果如圖2所示。對(duì)于亞甲基藍(lán)的最大吸收量為265mg/g，對(duì)結(jié)晶紫的最大吸收量為298 mg/g，對(duì)橙黃G的最大吸收量為56 mg/g。
[0018]本實(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)于亞甲基藍(lán)的最大吸收量為282mg/g，對(duì)結(jié)晶紫的最大吸收量為319 mg/g，對(duì)橙黃G的最大吸收量為67 mg/g ο對(duì)亞甲基藍(lán)的快速吸附時(shí)間為70s。
[0021]實(shí)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(shí)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(duì)于亞甲基藍(lán)的最大吸收量為241mg/g，對(duì)結(jié)晶紫的最大吸收量為276mg/g，對(duì)橙黃G的最大吸收量為49 mg/g。對(duì)亞甲基藍(lán)的快速吸附時(shí)間為88s。
[0023]實(shí)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(shí)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(duì)于亞甲基藍(lán)的最大吸收量為241mg/g，對(duì)結(jié)晶紫的最大吸收量為217mg/g，對(duì)橙黃G的最大吸收量為38 mg/g ο對(duì)亞甲基藍(lán)的快速吸附時(shí)間為92s。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(shí)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(shí)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(shí)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(hào)】C02F101/34GK106000366SQ201610353363
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】晏超, 堵晴川, 許凡
【申請(qǐng)人】江蘇科技大學(xué)