一种石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶及其制备方法

文档序号:10634765阅读:1582来源:国知局
一种石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯?三聚氰胺泡沫气凝胶及其制备方法,所述气凝胶为黑色块状,密度为8?15mg/cm3,比表面积为100~500m2/g,步骤包括:(1)将氧化石墨烯与去离子水混合得到氧化石墨烯水溶液;(2)将氧化石墨烯水溶液与还原剂混合得到混合液,然后将三聚氰胺泡沫放入混合液中,经恒温水热反应得到石墨烯?三聚氰胺泡沫水凝胶;(3)将水凝胶置于溶剂中进行清洗,再经冷冻干燥得到石墨烯?三聚氰胺泡沫气凝胶。本发明利用超亲水的三聚氰胺泡沫作为骨架结构,形成石墨烯气凝胶,使其易于浸入水中,能够快速吸附水中有机污染物;同时,由于三聚氰胺泡沫的加入,提高了气凝胶的压缩性能,且可以循环利用。
【专利说明】
一种石墨烯-三聚氰胺泡沬气凝胶及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种气凝胶的制备方法,具体涉及一种石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着工业和科技的不断发展,环境污染问题日益严重,有效的防护和治理已成为亟待解决的问题。水污染问题对日常生活影响最为直接,严重威胁身体健康。如何有效处理工业废水中的重金属离子、有机溶剂和有机染料一直受到研究者们的关注。目前,吸附法是解决水体污染最高效、简便、低成本的处理方法。广泛采用的吸附剂为生物材料以及活性炭等,这些材料成本低廉、使用方便,但吸附容量较小吸附速率慢。因此,寻找高吸附效率材料迫在眉睫。气凝胶是一种低密度、孔体积大、比表面积高的纳米多孔材料,其特殊的结构是理想的吸附材料。
[0003]近几年石墨烯材料以其优异的性能引起全世界的广泛关注。石墨烯基材料也在储能、电容器、传感器、电极等方面发挥出重要价值。石墨烯气凝胶具有极高的比表面积,是理想的吸附材料。但石墨烯表面能较高呈现出疏水性,现阶段主要用于油品的吸附,如中国专利104993138A公开了一种石墨烯复合材料气凝胶的制备方法及其应用,中国专利公开了105251459A—种高吸油石墨烯复合材料的制备方法。在处理污水中的有机污染物时,由于不能浸入水中,接触面积急剧减小,其吸附能力大大受到了限制,因此,开发出在水中仍能保持高效吸附能力的石墨烯气凝胶对于水污染的处理具有重要意义。

【发明内容】

[0004]解决的技术问题:针对现有技术存在的不足,本发明提供了一种石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶及其制备方法,利用超亲水的三聚氰胺泡沫作为骨架结构,与石墨烯复合形成气凝胶,使其易于浸入水中,能够快速吸附水中有机污染物;同时,由于三聚氰胺泡沫的加入,提高了气凝胶的压缩性能,且可以循环利用。
[0005]技术方案:本发明提供的一种石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶,为黑色块状,密度为8-15mg/cm3,比表面积为 100?500m2/g。
[0006]本发明提供的一种石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶的制备方法,其包括以下制备步骤:
(1)将氧化石墨烯与去离子水混合,超声分散l-5h,得到氧化石墨烯水溶液,所述氧化石墨稀水溶液的浓度为1-4mg/ mL ;
(2)将步骤(I)得到的氧化石墨烯水溶液与还原剂混合得到混合液,然后将三聚氰胺泡沫清洗后放入混合液中,经恒温水热反应,得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝胶;所述还原剂与氧化石墨烯的质量比为0.07?11:1,所述恒温水热反应的温度为70-180°C,反应的时间为2-20h;
(3)将步骤(2)得到的石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝胶置于溶剂中进行清洗,时间为24-48h,再经冷冻干燥,得到石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶;所述冷冻干燥的温度为-70?-50°C,时间为24-72h。
[0007]步骤(2)所述三聚氰胺泡沫为白色块状,开孔率为99%以上。
[0008]步骤(2)所述还原剂为抗坏血酸、聚多巴胺、硫化钠中的一种或两种混合,混合质量比为5?25:1。
[0009]步骤(3)所述溶剂为去离子水、叔丁醇、乙醇中的一种或两种混合,混合体积比为I?3:1。
[0010]有益效果:(1)本发明操作简单易于实现,以三聚氰胺泡沫作为骨架结构,提高了石墨烯的亲水性能,易于浸入水中,吸附水中有机污染物如亚甲基蓝。
[0011](2)本发明制备得到的石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶具有丰富的孔洞结构,能够对亚甲基蓝等进行快速吸附,在循环10次后吸附效率仍能达到95%。
【附图说明】
[0012]图1为实施例1制备的石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶的扫描电镜图片;
图2为实施例1制备的石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶快速吸附亚甲基蓝的紫外光谱图; 图3为实施例1制备的石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶循环吸附效率图;
图4为实施例1制备的石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶快速压缩吸收亚甲基蓝的数码照片。
【具体实施方式】
[0013]下面通过实施例的方式进一步说明本发明,但本发明的保护范围并不因此局限于下述实施例,而是由本发明的说明书和权利要求书限定。
[OOM]实施例中氧化石墨稀采用Hummers法制备,制备方法如下:首先,量取30mL浓硫酸,加入烧瓶中用冰浴冷却30 min;加入2.5g硝酸钠和5g鳞片石墨,中速搅拌15min;再向其中缓慢加入5 g高锰酸钾,并搅拌,在加入高锰酸钾的期间保持体系温度维持在5 °C以下,待全部加入完毕后再保持搅拌30 min;再将水浴温度升高到35-40°C,得到粘稠状物质,保持Ih后升高温度至80°C;向体系中逐滴滴加去离子水,此时反应剧烈放热,并有浓烟生成;待反应结束后冷却至室温,加入1mL双氧水,溶液由黑色变为棕黄色;静置沉淀一夜后将上清液弃去,用3%盐酸清洗下层沉淀物,离心分离后再次洗涤;最后用去离子水进行洗涤,直至洗为中性,将最终产物低温烘干备用。
[0015]实施例1
称取40 mg氧化石墨烯,溶于20mL去离子水中,超声分散3h形成均匀氧化石墨烯水溶液。取I OmL氧化石墨烯水溶液,与I OOmg的抗坏血酸混合均匀后放入从苏州鑫可瑞公司购买的三聚氰胺泡沫,置于80°C烘箱中保持3h,得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝胶;将水凝胶在去离子水中置换24h后,在-70°C下冷冻干燥24h,制备出石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶。
[0016]本实施例制备的气凝胶为黑色块状,密度为Ilmg/cm3,比表面积为236m2/g。其结构如图1所示,在三聚氰胺泡沫骨架上包覆着石墨烯片层。
[0017]本实施例制备的气凝胶对亚甲基蓝溶液的快速吸收效果测试如下:配置浓度为10mg/L的亚甲基蓝溶液,取100 mL于瓶中,加入50mg石墨稀-三聚氰胺泡沫气凝胶,以200 rpm的速度进行摇晃,每20s取2mL液体进行紫外吸光度测试,约80s亚甲基蓝被吸收完全,检测不到亚甲基蓝的紫外特征峰,紫外检测效果如图2所示。对于亚甲基蓝的最大吸收量为265mg/g,对结晶紫的最大吸收量为298 mg/g,对橙黄G的最大吸收量为56 mg/g。
[0018]本实施例制备的气凝胶经过10次的循环使用后吸附效果仍保持95%以上,如图3所示。将气凝胶装入针管中并注入蓝色的亚甲基蓝溶液,推动活塞后从针头挤出的溶液变为无色透明,快速吸附效果图如图4所示。
[0019]实施例2
称取20 mg氧化石墨烯,溶于20 mL去离子水中,超声分散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的抗坏血酸与4 mL浓度为2 mg/mL的多巴胺溶液混合均匀后放入三聚氰胺泡沫,置于95°C烘箱中保持12h,得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝胶。将水凝胶在去叔丁醇中置换24h后,在-70°C下冷冻干燥48h,制备出石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶。
[0020]本实施例制备的气凝胶为黑色块状,密度为14mg/cm3,比表面积为318m2/g。对于亚甲基蓝的最大吸收量为282mg/g,对结晶紫的最大吸收量为319 mg/g,对橙黄G的最大吸收量为67 mg/g ο对亚甲基蓝的快速吸附时间为70s。
[0021]实施例3
称取60 mg氧化石墨烯,溶于20 mL去离子水中,超声分散4h形成均匀氧化石墨烯水溶液。取18 mL氧化石墨烯水溶液,加入2 mL浓度为2 mg/mL的多巴胺溶液混合均匀后放入三聚氰胺泡沫,置于95°C烘箱中保持20h,得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝胶。将水凝胶在去乙醇中置换24h后,在-70 0C下冷冻干燥72h,制备出石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶。
[0022]本实施例制备的气凝胶为黑色块状,密度为9mg/cm3,比表面积为276m2/g。对于亚甲基蓝的最大吸收量为241mg/g,对结晶紫的最大吸收量为276mg/g,对橙黄G的最大吸收量为49 mg/g。对亚甲基蓝的快速吸附时间为88s。
[0023]实施例4
称取20 mg氧化石墨烯,溶于20 mL去离子水中,超声分散4h形成均匀氧化石墨烯水溶液。取20 mL氧化石墨烯水溶液,加入10mg硫化钠,混合均匀后放入三聚氰胺泡沫,置于70°C烘箱中保持3h,得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝胶。将水凝胶在1:1的乙醇与水混合液中置换24h后,在-70 0C下冷冻干燥48h,制备出石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶。
[0024]本实施例制备的气凝胶为黑色块状,密度为lOmg/cm3,比表面积为185m2/g。对于亚甲基蓝的最大吸收量为241mg/g,对结晶紫的最大吸收量为217mg/g,对橙黄G的最大吸收量为38 mg/g ο对亚甲基蓝的快速吸附时间为92s。
【主权项】
1.一种石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶,其特征在于为黑色块状,密度为8-15mg/cm3,比表面积为 100~500m2/g。2.如权利要求1所述的一种石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶的制备方法,其特征在于包括以下制备步骤: (1)将氧化石墨烯与去离子水混合,超声分散l_5h,得到氧化石墨烯水溶液,所述氧化石墨稀水溶液的浓度为1-4mg/ mL ; (2)将步骤(I)得到的氧化石墨烯水溶液与还原剂混合得到混合液,然后将三聚氰胺泡沫清洗后放入混合液中,经恒温水热反应,得到石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝胶;所述还原剂与氧化石墨烯的质量比为0.07?11:1,所述恒温水热反应的温度为70-180°C,反应的时间为2-20h; (3)将步骤(2)得到的石墨烯-三聚氰胺泡沫水凝胶置于溶剂中进行清洗,时间为24-48h,再经冷冻干燥,得到石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶;所述冷冻干燥的温度为-70?-50°C,时间为24-72h。3.根据权利要求2所述的一种石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶的制备方法,其特征在于步骤(2 )所述三聚氰胺泡沫为白色块状,开孔率为99%以上。4.根据权利要求2所述的一种石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶的制备方法,其特征在于步骤(2)所述还原剂为抗坏血酸、聚多巴胺、硫化钠中的一种或两种混合,混合质量比为5?25:1o5.根据权利要求2所述的一种石墨烯-三聚氰胺泡沫气凝胶的制备方法,其特征在于步骤(3)所述溶剂为去离子水、叔丁醇、乙醇中的一种或两种混合,混合体积比为I?3:1。
【文档编号】C02F101/34GK106000366SQ201610353363
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】晏超, 堵晴川, 许凡
【申请人】江苏科技大学
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