一种银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001]本发明属于石墨烯复合材料领域，特别涉及一种银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料及其制备方法与应用。
[0002]
【背景技术】
[0003]石墨烯是由SP2杂化碳原子键合，且具有六方点阵蜂窝状二维结构的单原子层石墨。其由于具有良好的导电性、较大的理论比表面积和较高的机械稳定性而引起了广泛的关注。但石墨烯片层间的作用使团聚现象很大程度的限制了石墨烯的应用。石墨烯不可逆团聚问题的解决成为材料化学领域研究的焦点。近年来，石墨烯和氧化石墨烯气凝胶或水溶胶，由于其宏观和多功能的性质，受到了材料化学领域的关注。石墨烯气凝胶保持了石墨烯的高比表面积、高导电性等优越的性能，在一定程度上还能克服石墨烯的面面堆叠，同时独具的三维多孔结构有利于其在水处理领域的应用。
[0004]气凝胶又称干凝胶，是一种多孔泡沫状的固体材料，具有极轻的密度以及很高的比表面积。由于它的特殊的多孔结构，气凝胶被广泛研究于催化基体、吸收材料以及导电和绝缘材料等。气凝胶的制备通常由溶胶凝胶过程和超临界干燥处理过程构成。在溶胶凝胶过程中，通过控制溶液的水解和缩聚反应条件，在溶体内形成不同结构的纳米团簇，团簇之间相互粘连形成水凝胶，而在凝胶体的固态骨架周围则充满化学反应后剩余的液态试剂。通过超临界干燥，将水凝胶里的水份置换为气体，便形成了气凝胶。石墨烯气凝胶同时具备了石墨烯和气凝胶的特性，包括高的多孔率、超轻的密度和高的机械强度。因此，石墨烯气凝胶被广泛应用于吸附、催化、环保等领域。
[0005]纳米结构的碳材料如碳纳米管、碳纳米纤维、富勒烯、碳球和石墨烯等由于较高的吸附能力而被广泛应用于水处理领域。污水中存在各种化学和生物污染物，而这些碳材料往往只对部分污染物有较强的吸附效果，对其它污染物的吸附效果并不明显，因此在水处理过程中亟需一种用途广泛的吸附剂。由不同种类的碳材料，如石墨烯、碳纳米管、碳球等，组成的具有分层纳米结构的材料，由于其对污染物吸附和降解效果的显著提高而受到了关注。组成该种材料的各种碳材料具有不同的结构、规模和孔隙度，因此在不同碳材料之间产生了特殊的协同作用。这种碳复合材料对有机和无机化合物的吸收能力比单一碳材料更强。
[0006]光催化剂在满足实际应用的过程中，在提高可见光的吸收和光催化反应效率方面仍然存在障碍。许多金属纳米晶体如金、银等在可见光的照射下，对整个太阳光谱范围都体现出了较高的光催化活性。该种金属纳米晶体如金、银等，对石墨烯水凝胶或气凝胶进行修饰后，其对污染物的催化活性进一步提高，修饰后得到的复合材料比单一的金属纳米晶体或石墨烯水凝胶、气凝胶具有更好的催化效果。
[0007]目前，关于利用石墨烯气凝胶类的三维立体结构材料、金属纳米粒子修饰石墨烯、不同纳米结构碳材料组装等方式提高水处理效果的研究已有一定的基础，而将此类不同功能的材料相复合以求提高其在水处理过程中吸附降解效率的研究却鲜有报道。
[0008]
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于为了克服以上现有技术的不足而提供一种银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料及其制备方法与应用，采用较为简便的自组装的方法制备，过程简单，对实验设备要求低，易于操作。
[0010]本发明的技术方案如下:
一种银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料，该材料是以石墨烯气凝胶为载体,银纳米粒子修饰的碳球为活性组分的三维立体结构,其中尺寸为10~20nm的银纳米粒子分布于碳球表面，银纳米粒子修饰的碳球分散在石墨烯片之间，银载量为6~7wt%。
[0011]所述的银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤:
(O氧化石墨烯前驱体分散液的制备:将氧化石墨超声分散于蒸馏水中，得到2~3mg/ml的氧化石墨烯前驱体分散液；
(2)碳球分散液的制备:取0.2-0.4mol/L的葡萄糖溶液放入高压反应釜中，于170~180°C下水热处理4~6h并自然冷却至室温；用乙醇、蒸馏水反复洗涤离心去除多余的葡萄糖，然后真空干燥，得到碳球；将碳球在15000rpm下超声分散20min于蒸懼水中，形成碳球分散液；
(3)银纳米粒子修饰碳球分散液的制备:向步骤(2)得到的碳球分散液中加入硝酸银溶液得到银离子混合溶液；振荡后并在室温下搅拌10~12h得到均匀混合物；该混合物经离心分离后，再用乙醇、蒸馏水反复洗涤去除多余银离子，然后超声分散于蒸馏水中，得到银纳米粒子修饰的碳球分散液；
(4)银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料的制备:在步骤(I)得到的氧化石墨烯前驱体分散液中加入步骤(3)得到的银纳米粒子修饰的碳球分散液，超声降解Ih后加入半胱氨酸，混合均匀；将混合物置于70~90°C油浴中8~10h，然后用超纯水洗涤去除多余的半胱氨酸后进行冷冻干燥，即得银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料。
[0012]进一步地,所述的银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料的制备方法，步骤(2)中碳球分散液的浓度为0.3%wt0
[0013]进一步地,所述的银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料的制备方法，步骤(3)中所述的银离子混合溶液中银离子浓度为lmol/L。
[0014]进一步地,所述的银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料的制备方法，步骤(4)中所述半胱氨酸浓度为0.11-0.13mol/L。
[0015]进一步地,所述的银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料的制备方法，步骤(4)中氧化石墨质量与半胱氨酸的体积比为1:2~1:3，所述氧化石墨烯前驱体分散液与银纳米粒子修饰的碳球分散液的体积比为8:9~8:10。
[0016]进一步地,所述的银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料的制备方法，步骤(4)中冷冻干燥温度为_50°C，时间为24h。
[0017]所述的银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料在水处理过程中吸附降解有机污染物的应用。
[0018]所述的银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料在水处理过程中吸附重金属离子的应用。
[0019]本发明提供的银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料，由于材料中银纳米粒子、碳球、石墨烯的复合作用，及其作为气凝胶的三维多孔结构，该材料可被多次重复使用并易于转移回收，同时，该材料具有对重金属离子较强的吸附能力和对有机污染物较高的吸附降解效率。
[0020]本发明提供的银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料的制备方法是一种较为简便的自组装的方法，制备过程简单，对实验设备要求低，易于操作。
[0021]
【附图说明】
[0022]图1为本发明实施例1中不同气凝胶的场发射扫描电镜(SEM)图片，其中(a)为石墨烯气凝胶的场发射扫描电镜(SEM)图片；(b)为碳球/石墨烯复合气凝胶材料的场发射扫描电镜(SEM)图片；(c)为银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料的场发射扫描电镜(SEM)图片。
[0023]图2为本发明实施例2中银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶、石墨烯气凝胶、碳球/石墨烯复合气凝胶的投射电镜(TEM)图片。
[0024]图3为本发明实施例1中银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶、石墨烯气凝胶、碳球/石墨烯复合气凝胶的红外谱图。
[0025]图4为实施例3得到的银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料与石墨烯气凝胶材料降解对硝基苯酚的效果随时间变化的曲线图。
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【具体实施方式】
[0027]实施例1
一种银纳米粒子修饰碳球/石墨烯复合气凝胶材料的制备方法，具体步骤如下:
(I)氧化石墨的制备:将纯度为99.5%的石墨Ig加入90ml质量分数为98%的浓硫酸和25ml质量分数为65%的浓硝酸组成的混合溶液中，在冰水混合浴(温度控制在4°C以下)中搅拌20min。之后慢慢地加入6g高锰酸钾，搅拌lh。接着将混合溶液加热至85°C保持30min,然后加入1ml质量分数为30%的过氧化氢,搅拌1min,对混合物进行抽滤,最后用10ml稀盐酸和150