三维多孔功能化石墨烯材料的构建及其对重金属离子的选择性吸附机理研究

A novel adsorption separation material, three-dimensional porous functionalized graphene, is proposed to solve a difficult and hot problem, the separation of heavy metal ions. First, graphene oxide will be prepared by the ultrasound-assisted Hummers’ method, then three-dimensional porous graphene is assembled from it through one-step hydrothermal method at the presence of porogens, and different groups having strong affinity to various heavy metal ions are chemically bonded to three-dimensional porous graphene to construct three-dimensional porous functionalized graphene with different structure and highly selective adsorption capability for heavy metal ions. Thereafter, the selective adsorption of three-dimensional porous functionalized graphene with different functionalized group and structure for different heavy metal ions will be studied to understand it’s adsorption properties, adsorption rate, maximum adsorption capacities, adsorption thermodynamics and kinetics, meanwhile it’s desorption properties and method will also be investigated. Through the study of the relationship and basic rules between structure and adsorption characteristics, illustrating the selective adsorption mechanism, establishing the model structure of three-dimensional porous functionalized graphene with highly efficient and easily recycling properties. The finish of this project will obtain novel adsorption separation materials for heavy metal ions, understand the new rules and knowledge of adsorption separation of heavy metal ions, and facilitate the development of the adsorption separation technolgy for heavy metal ions.

本项目针对重金属离子分离这一难点、热点问题，提出构建一种新的吸附分离材料 - - 三维多孔功能化石墨烯。项目首先采用超声辅助 Hummers 法制得氧化石墨烯，通过添加致孔剂的水热法将其组装得到三维多孔石墨烯，然后将对重金属离子有选择性的不同官能团通过化学方法键合到三维多孔石墨烯上，构建具有不同结构形态、可选择性高效吸附重金属离子的三维多孔功能化石墨烯材料；在此基础上，研究其对不同重金属离子的选择性吸附，探究功能化基团与结构形态不同的三维多孔功能化石墨烯材料的吸附性能、吸附速率、最大吸附量、吸附热力学和动力学，同时探讨解吸附性能及方法；通过研究结构与吸附特性的相互关系与规律，揭示选择性吸附机理，构建吸附性能优异、易回收利用的三维多孔功能化石墨烯材料模型结构。通过本项目研究，将获得一种新的重金属离子吸附分离材料，得到重金属离子吸附分离的新规律与知识，推动重金属离子吸附分离技术的发展。

近几年来国内外将石墨烯作为吸附材料用于水相中重金属离子分离富集的研究取得了卓有成效的结果，展现了良好的应用前景。但如何最大程度保持石墨烯材料的大比表面积，提高其对金属离子的有效吸附效率，同时使其具有选择性吸附性能，是目前石墨烯吸附材料领域研究的难点和热点。针对此问题，项目基于石墨烯的结构/性能特点，提出通过组装法将二维结构的石墨烯或者石墨烯衍生物利用物理交联或者化学作用形成具有多孔和大比表面积的三维材料,并对其进行功能化修饰从而获得对水样中重金属离子具有高效选择性吸附分离能力的新型材料。. 项目首先研究改进了Hummers 法制备氧化石墨烯的方法，获得了氧化程度和结构形态可控的氧化石墨烯，以此为基础采用水热自组装的方法制备了多种三维多孔功能化石墨烯复合材料；项目详细研究了水热自组装制备三维多孔石墨烯材料的影响因素，发现水热温度180℃下，在较短的水热处理时间内制备的三维多孔石墨烯具有更多的石墨结构缺陷和含氧官能团；项目研究了多种对三维多孔石墨烯材料进行化学修饰和复合的方法，获得了结构形态可控的多种三维多孔功能化石墨烯材料，探究了三维多孔功能化石墨烯材料的组成、结构等与其对 Pb（II），Cd（II），Cu（II），Zn（II）和 Cr（VI）等不同重金属离子的选择性吸附性能的联系，探讨了材料的吸附性能、吸附速率、最大吸附量、吸附热力学和动力学；项目研究了三维多孔功能化石墨烯材料对多种重金属离子的吸附机理，静电相互作用是吸附的主要原因，发现在吸附Cr(VI) 离子的过程中发生了Cr(VI) 的还原。此外，项目还针对多壁碳纳米管复合材料的吸附和导电性能开展了其电化学性能方面的研究工作。项目的完成为新型三维多孔功能化石墨烯材料在重金属离子吸附分离上的应用提供了有用的理论支持和实验基础。