石墨烯改性及其吸附酚类污染物的性能研究

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1、分类号学号D201077188学校代码10487密级博士学位论文石墨烯改性及其吸附酚类污染物的性能研究学位申请人：王小波学科专业：材料物理与化学指导教师：朱丽华教授答辩日期：2015年5月08日ADissertationSubmittedinFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofEngineeringModificationofgrapheneanditsuseforadsorptionremovalofphenolicpollutantsCandida

2、te:XiaoboWangMajor:MaterialsPhysicsandChemistrySupervisor:Prof.ZhuLihuaHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明

3、确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：2015年5月25日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在______年解密后适用本授权数。本论文属于不保密√□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日

4、期：2015年5月25日日期：2015年5月25日华中科技大学博士学位论文摘要2石墨烯是碳原子以sp杂化域呈蜂巢晶格排列构成的二维平面碳材料。石墨烯的层状结构和大的比表面积使其在吸附去除污染物时表现出高的吸附容量和快的吸附速率。石墨烯还可以通过π-π作用选择地吸附芳环类化合物。但石墨烯的水分散性较差，易团聚，影响自身的吸附能力。另一方面，环境激素是一类难以处理的污染物，特别是低浓度条件下，目前许多污水处理厂并没有行之有效的方法处理这类污染物，急需开发更有效的新方法。因此，本学位论文重点研究石墨烯的改性及其吸附性能。

5、首先，采用改良Hummers法制备氧化石墨烯（GO），以水合肼作为还原剂，制备还原型GO（RGO），通过控制还原反应条件调控GO的还原程度。扫描电镜观察以及X-光电子能谱、拉曼和红外光谱分析表明，还原反应导致GO表面大部分的含氧基团消失。吸附实验结果表明：随着GO还原程度增加，其吸附能力逐渐增大。当水合肼与GO的质量比为1:1时，所得的RGO（RGO-1）对苯酚（PE）、4-甲酚（4-MP）和4-氯酚（4-CP）的吸附容量最大，分别为0.483、0.829-1和0.909mmolg。热力学研究结果表明该过程是自发、

6、放热和熵值减小的物理吸附。以萘作为探针分子进行了核磁共振谱分析，结果表明，π-π作用是RGO与酚之间主要的作用力。还发现，酚的化学结构也会影响吸附，苯环上引入供电子或吸电子取代基都可以提高其在RGO上的吸附容量。然后，以RGO作为吸附剂，研究了低浓度双酚类环境激素双酚F（BPF）、双酚A（BPA）和双酚AF（BPAF）在RGO上的吸附行为，并与高浓度水平条件下的吸附行为进行了比较，发现在所考察的整个平衡浓度范围内（0.002-70mg-1L）的吸附等温线可以分成两个阶段：低浓度区域的吸附等温线符合Freundlic

7、h模型，而高浓度区域符合Langmuir模型。这归因于吸附过程诱导石墨烯形貌的000转变，从而出现不同的表面吸附位点。热力学参数ΔG、ΔH和ΔS表明该过程是一个自发、放热和熵减的物理吸附。这些参数的绝对值随着浓度的增加而减小，表明石墨烯对低浓度双酚的吸附结合力更强。利用透射电镜、原子力显微镜、I华中科技大学博士学位论文X-射线衍射和Raman光谱监测石墨烯吸附前后结构和形貌的变化，发现双酚吸附量的增加导致石墨烯表面皱褶形成的凹槽区减少以及平面区增多。这一形貌的转变是等温线出现两个阶段的主要原因。最后，以氨水为氮源，

8、在180ºC下通过水热反应制备了氮修饰的RGO（N-RGO），系统地研究了双酚类环境激素（BPF和BPA）在N-RGO体系中的吸附与降解行为。结果表明：氮的引入不仅提高了RGO的吸附能力，而且赋予了石墨烯良好的催化能力，可有效地活化过硫酸盐（PS）。BPF和BPA在N-RGO上的吸附容量和降解速率常数分别约为未掺氮的RGO的1.75倍和700倍。在优−1−1