石墨烯-粘土纳米复合材料的构建及其选择性吸附机制研究

Clay have selective adsorption ability to heavy metals and microbial, but the absorption ability was limited by the layer ion-exchangeable and charged characteristic of the clay, and the absorption ability to organic compound is poor and no selective difficult to recycle. Graphene have efficient and selective adsorption ability to organic compound, but easy aggregated. Therefore, the project building novel graphene-clay nanocomposites by intercalated the graphene or functional graphene to the clay layer with easy to disperse and recycle, high efficiency and selective adsorption to heavy metals, organic compounds or microorganisms, respectively. The major focus of current research include the assembly, the control methods of structure and morphology, the structure-effective relationship, the selective adsorption mechanisms, and the construction of models of excellent comprehensive performances for the nanocomposites. The key scientific problems need to solve is how to build novel graphene-clay nanocomposites through simple techniques, and what are the selective adsorption mechanisms of the graphene-clay nanocomposites. The features and innovative points of the project include the building novel graphene-clay nanocomposites, the systematical research on the control methods of the nanocomposite's construction and morphology, and explore the different selective adsorption mechanisms to the above-mentioned three kinds of adsorbates. The achievements in the research are of great significance in developing new types of selective adsorption materials, improving basic research level of adsorption materials in China,and promoting the sciences and their related industries of chemistry, chemical engineering, materials, environmental science and physics.

粘土对重金属和微生物具有选择性吸附，但吸附能力受层间可交换离子和荷电性限制，且对有机物吸附能力差和无选择性；石墨烯对有机物显示高效和选择性吸附，但易团聚和难回收。因此，本项目提出通过微波法将石墨烯或其功能化产物组装至粘土层间，构建易分散和回收，且分别对重金属、有机物或微生物有高效和选择性吸附的石墨烯-粘土纳米复合材料，重点研究其组装、结构形貌调控、构效关系、选择性吸附机制、综合性能优异的结构模型的建立。拟解决的关键科学问题是如何通过简单的组装工艺构建新型石墨烯-粘土纳米复合材料的问题，以及纳米复合材料的选择性吸附机制问题。其特色和创新之处：通过简单组装工艺构建新型石墨烯-粘土纳米复合材料；系统研究其结构形态调控；分别探索其对上述三类吸附质的不同选择性吸附机制。该研究成果对于发展新型的选择性吸附材料，提高我国吸附材料基础研究水平，推动化学、化工、材料、环境及物理等学科及其相关产业的发展。

粘土对重金属和微生物具有选择性吸附，但吸附能力受层间可交换离子和荷电性限制，且对有机物吸附能力差和无选择性；石墨烯对有机物显示高效和选择性吸附，但易团聚。因此，本项目采用超声法、真空涂层法和冷冻干燥法制备出三类石墨烯-粘土复合材料，并表征其组成结构和研究其对水中污染物的吸附性能以及机理。研究结果发现：当GO与MMT以10%投料质量比采用超声法获得的蒙脱土柱撑氧化石墨烯(G)复合材料，其比表面积（973m2•g-1）明显高于GO 的612m2•g-1 和MMT的245 m2•g-1 ，对亚甲基蓝（MB）、亚甲基橙（MO）和Pb2+的吸附效果均优于GO和MMT的，其最大吸附量分别为250，144.9和232.6 mg/g，三种吸附均符合Langmuir模型及准二级动力学模型，并在50min内达到吸附平衡；还研究了上述GM复合材料对分别水中MB和 Pb2+ 、MB和MO的二元吸附性能和吸附机理，发现MB存在对其吸附Pb2+具有协同作用、Pb2+存在对其吸附MB具有一定的竞争作用、MB和MO共存时吸附都具有协同作用，并解释了上述三种二元吸附机制; 采用真空涂层法获得的石墨烯-沸石复合材料(含石墨烯4.0wt%)对水中Cu2+、甲基橙的吸附分别符合Freundich模型和Langmuir模型，最大吸附量分别为39.06和2.71mg/g，动力学均符合准二级动力学方程，分别在40和120 min达到吸附平衡；发现上述石墨烯-沸石复合材料对水中共存的甲基橙和Cu2+的吸附都具有协同作用；成功采用冷冻干燥法制备出两种新型还原氧化石墨烯-粘土复合气凝胶rGO-MMT-0.04 (BET 比表面积10.354m2•g-1) rGO-MMT-0.06 (BET比表面积10.354m2•g-1)，发现它们对水中亚甲基蓝的吸附性能比对甲基橙要好，它们的吸附行为符合Langmuir模型和Freundich模型，吸附过程为粒子内扩散，它们对亚甲基蓝的吸附过程是自发吸热的，但对甲基橙的吸附过程不是；最重要的是采用该复合气凝胶处理废水具有具有经济、绿色环保和易再生的特点，有望获得实际应用。 研究过程中，获得授权的发明专利3件，发表SCI收录论文20篇、硕士学位论文4篇。该研究成果对于发展新型选择性吸附材料，提高我国吸附材料基础研究水平，推动化学、化工、材料、环境及物理等学科及其相关产业的发展。