磁性石墨烯基泡沫材料的制备及其油水分离性能的研究

Hydrophobic porous graphene-based materials for oil-water separation in recent years has received extensive concerns triggered by a number of scientists all over the world. In view of relationship between the structures of sorbent and sorbate, we will develop an oil sorbent with a high oil sorption capacity, a high uptake capacity, an excellent recyclablity and reusability to overcome the issues of brittleness, collapse and poor recyclablity existing in porous graphene-based materials.While the use of magnetic graphene-based foam materials has emerged as a promising method to solve these shape maintenance and recycle problems. We present a novel composite material based on graphene-based foams via gaseous reducing method functionalized with magnetic iron oxide nanoparticles. We explore the new principles and methods of magnetic graphene-based foam using oil-water separation. The controllable synthesis, structure-activity relationship and reaction mechanism of the composites have been investigated. The mechanism of the process material processing, structure-activity relationships, regulatory mechanisms for the graphene-based foam composites in oil-water separation is attempted. And we construct preparation technology and principle of the efficient and quick absorption of oils and organic solvents, high restoration of absorbates, stability and recyclability of graphene-based foam. Together with magnetic separation technology, these unique magnetic graphene-based foam materials exhibit a wide application prospect and practical value in the field of oil-water separation.

近年来，多孔石墨烯材料用于油水分离已成为各国科学家的研究热点。针对目前凭借石墨烯叠加得到的多孔结构材料的脆性大、易坍塌以及重复利用性差等问题，从材料本体结构性能与吸附质间的关系出发，研究和开发出具有吸油倍率高、吸附速度快、易于回收、并可重复使用的吸附材料。而磁性石墨烯基泡沫材料提供了一个可以用来解决石墨烯结构保型、回收处理等问题的新途径。本研究拟通过气相还原法制备的石墨烯基泡沫为载体，结合有机液相法，开展磁性石墨烯基泡沫材料的可控制备及其油水分离性能的研究，探索该材料进行油水分离的原理和方法，揭示材料在油水分离处理中的过程机制、构效关系和调控机制，并掌握具有高吸附性、再生性、稳定性的磁性石墨烯基泡沫材料的制备技术及原理。通过构筑结构稳定、吸附倍率高的磁性石墨烯基泡沫复合材料，利用磁分离技术实现回用，使其在油水分离领域中具有广阔的应用前景和实际应用价值。

油水分离在实际生活和生产中有着非常重要的意义，因此，如何寻找一种简便高效的处理水中油的方法，进行油水分离成为了一个重要的课题。石墨烯泡沫具有丰富的孔道、较高的比表面积以及疏水亲油的特点，使其具有了作为油水分离用吸附剂的基本特征；同时稳定的、互通的孔道结构以及高的表面化学活性， 有利于材料油水分离过程中循环使用性的提高，因此三维石墨烯开始作为一种新型吸附材料出现在科研领域。针对目前凭借石墨烯叠加得到的多孔结构材料的脆性大、易坍塌以及重复利用性差等问题，从材料本体结构性能与吸附质间的关系出发，研究和开发出具有吸油倍率高、吸附速度快、易于回收、并可重复使用的石墨烯吸附材料具有重要意义。.经过不懈的调研和探索，本项目在以下四个方面进行了研究并取得了重要的成果：1. 通过对材料吸附原理的分析，成功制备了具有多级孔道结构的石墨基泡沫材料，这种材料在具有发达的微米级孔结构的同时，在其内部表面还具有了丰富、均一的中孔及介孔结构，这种多级结构为油的吸附提供了有利的通道；2. 以石墨烯泡沫为基底，经过修饰、疏水改性后，成功制得了一种超疏水石墨烯泡沫材料，这种材料对于吸收有机溶剂及油脂，具有吸附能力强、吸附速度快的特点。此外，通过控制材料厚度，作为滤膜能够实现对油-水混合物的分离；3. 通过调控石墨烯泡沫基底的还原度，成功获得了石墨烯泡沫负载的具有不同形貌磁性氧化铁纳米颗粒，该磁性石墨烯泡沫具有较好吸附性能的同时，解决了油水分离材料的回收以及再利用问题；4. 利用修饰氧化石墨烯与铁离子的交联，成功的原位制备出磁性石墨烯气凝胶材料，该材料具有磁性的同时，还具有高吸附倍率。结合课题工作，授权国家发明专利2项，发表SCI论文3篇。该项目扩展了石墨烯泡沫材料用于油水分离的研究领域，对发展与完善高效、稳定、可控的石墨烯油水分离材料提供了重要的理论研究和实际应用价值。