氧化石墨（烯）材料的制备、吸附性能及机理研究.pdf

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1、氧化石墨(烯)材料的制备、吸附性能及机理研究2014王泉珺硕士物理学孙红娟教授ClassifiedIndex:O469U.D.C:53SouthwestUniversityofScienceandTechnologyMasterDegreeThesisPreparation,adsorptionpropertiesandmechanismofgrapheneoxidematerialsGrade:2014Candidate:WANGQuanJunAcademicDegreeAppliedFor:MasterSpeciality:PhysicsSupervisor:Prof

2、.SunHongjuanMay.10,2017独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用和授权的说明本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复

3、制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名：日期：西南科技大学硕士研究生学位论文第I页摘要石墨碳原子层之间相互平行叠置且以短程范德华力相联系，其间形成相对疏松的层间域，结构层上的π键具有金属键的性质。因此具有良好的可插层，可氧化及剥分性。然而石墨氧化的难易程度、反应速率、反应条件及化学试剂的选择直接或间接的影响氧化石墨（GO）产物结构中官能团的类型和含量，进而影响结构和阳离子交换性能。可控制备特定官能团类型的GO，既可直接作为优良的吸附材料，而且能为基于GO功能化材料在吸附领域的应用提供更佳的前躯体。本论文采用浓H2SO4和KMnO4为反应体系的

4、Hummers法可控制备不同氧化程度的GO，研究了GO制备过程中的阶段性特征；采用甲醛缩合法对不同氧化程度GO的阳离子交换容量（CEC）进行测定，并对GO的干、湿状态及阳离子交换过程产物对比研究，查明阳离子交换机制及交换过程对GO结构的影响；在GO制备、结构和理化性质（CEC性能）研究基础上，进一步研究剥离后的GO即单层氧化石墨烯（GOs）对亚甲基蓝（MB）的吸附性能及机理。研究表明氧化剂（KMnO4）足量时，反应时间和温度对产物结构特征有显著影响。可控制备的低温（0~4°C）反应时间为180min，中温（37°C）反应时间为120min，以及在原始氧化石墨（PGO）中因

5、加水而引起的升温温度控制在65~75°C最佳，改变KMnO4剂量时，石墨（002）面网的最大底面间距随KMnO4剂量发生规律性变化；可控制备获得低氧化程度的GO结构层上碳羟基（C−OH）相对含量较高，高氧化程度时环氧基（C−O−C）和羰基（C=O）含量较高；通过高倍光学显微镜对石墨的氧化过程在线分析发现KMnO4是石墨发生氧化插层的充分条件，而浓H2SO4与石墨不发生插层反应，氧化过程由边缘或缺陷处率先发生，并逐渐向面内延伸。不同氧化程度的GO官能团类型和含量上都表现出较大的差异，采用甲醛缩合法测定CEC结果表明并非随着氧化程度的增加CEC一直增大，而是与结构中含氧基团C

6、−OH和−COOH含量（即可解离出H+的量）相关，可控氧化过程使GO-4样品的CEC达到最大值541.81mmol∙(100g)-1，继续增大氧化程度，反而使CEC减小；水介质中GO层间域内的H+与其它阳离子可发生交换，并在层间域内形成水化阳离子层，阳离子交换过程可逆；[NH+2+4(H2O)6]和[Ca(H2O)6]以水合阳离子形式在层间域内与GO结构层上的C−O−以氢键结合，阳离子交换前后GO结构及官能团未发生明显变化。西南科技大学硕士研究生学位论文第II页GO结构层上的负电性及开放的层间域环境使其CEC值为蒙脱石的5~6倍，剥离后的GO（GOs-n）吸附亚甲基蓝（M

7、B）的最大饱和吸附量依次为728.44、965.63和807.29mg·g-1，吸附过程符合准二级动力学模型，吸附量与GOs结构中C−OH和−COOH含量成正相关；GOs结构上去质子化的C−O−和−COO−为主要活性位点与MB+发生化学控速的单分子层吸附；在氧化程度低时，GOs结构中C−OH和−COOH官能团之间以离子交换吸附为主导取代H；氧化程度高时，GOs结构中的C−O−C和C=O含量增加与MB以氢键吸附作用增强，对吸附量的影响凸显。关键词：氧化石墨（烯）；氧化程度；结构变化；阳离子交换容量；亚甲基蓝吸附；机理西南科技大学