石墨烯核壳结构复合材料的构筑、稳定性及其吸附机理的研究

At present magnetic graphene composites have been mostly prepared by depositing magnetic nano particles on the sheets of graphene and the resulting composites are not stable during regeneration. In order to solve this problem, in this project magnetic graphene composites with core-shell structure would be designed using graphene oxide as the carbon precursor and the preparation processes are composed of following steps: surface modifications of Fe3O4,inducting graphene onto the surface of Fe3O4, coating Fe3O4 with graphene by covalent bonding using coupling agents and formation of the core-shell structure. The composites would be further functionalized to improve their adsorption. By studying the textural structure, formation mechanism and adjusting method of the composites, this project would clarify how the key parameters influence the structures and performances of the composites. By studying the evolution laws of the structures and compositions during adsorption and desorption, the stability mechanism of the composites would be revealed. By studying the adsorption dynamics and adsorption isotherms and analyzing energy spectra of the inner electrons and d orbits of the related atoms, the nature and micro mechanism of adsorption of heavy metal ions would be clearly understood. This project would greatly promote the application of magnetic graphene composites and would be of theoretical guidance for designing the structure and improving preparation method of magnetic graphene composites.

目前磁性石墨烯复合材料的制备大多是将磁性纳米粒子沉积在石墨烯层面上，该类材料在吸附再生过程中存在结构不稳定的问题。针对这一问题，本项目以氧化石墨烯为前驱体，通过对Fe3O4进行表面修饰，利用诱导作用，诱导石墨烯在Fe3O4表面进行包覆，通过偶联剂将两者通过共价键键合形成稳定的核壳结构，并进一步功能化提高材料的吸附性能。对制备的复合材料进行组织结构、形成机制及调控方法的研究，阐明影响复合材料结构与性能的规律；通过对复合材料在吸附、解吸过程中结构及成分的演变规律的研究，揭示复合材料的稳定性机制；研究复合材料的吸附动力学及等温吸附相关规律，并运用多种表征手段分析吸附剂相关原子和重金属原子在不同作用机制下内层电子能谱、d轨道能谱的变化规律，从微观上揭示吸附剂吸附重金属原子的本质规律和机理。本项目的成功实施，有望大大加快磁性石墨烯复合材料应用进程，并将为其结构设计及制备方法的改进提供重要理论指导。

磁性氧化石墨烯复合材料具有良好的吸附性能，特别是其良好的磁性克服了氧化石墨烯吸附剂后处理困难的缺陷，但其再生过程中存在结构不稳定的问题。针对这一问题，本项目制备了具有核壳结构氧化石墨烯包覆磁性纳米粒子复合材料，通过对Fe3O4进行表面修饰，利用诱导作用，诱导氧化石墨烯在Fe3O4表面进行包覆，该结构有望进一步提高磁性氧化石墨烯的稳定性和再生吸附性能。本项目采用共价键及静电吸引方法成功地制备出了目标产物，对影响复合材料结构与性能的各主要因素与规律进行了细致的研究，阐明了复合材料的形成机制，对复合材料对重金属和有机染料的吸附性能进行了大量的研究，并对其形貌、组织结构进行了多种表征，对复合材料的稳定性及其吸附机理进行了详细研究和解析。采用共价键结合的氧化石墨烯材料对Pb(II)的最大吸附量为253.2 mg/g，经10次循环后，其吸附量仍保持80%以上，其对亚甲基蓝的最大吸附量为102.4 mg/g，也具有良好的吸附再生性能，其对Pb(II)吸附主要靠化学吸附，吸附等温线符合Langmuir单层吸附等温线，动力学符合伪二级吸附方程式。采用静电结合的氧化石墨烯材料对亚甲基蓝表现出了较好的吸附和再生性能，但对Pb(II)的再生过程中，其核壳结构会发生解体，导致其吸附量大大下降。共价键连接的核壳结构氧化石墨烯复合材料的优异稳定性及再生性能在于复合材料中牢固的共价键，能够在再生过程中经受酸、乙醇的浸蚀，而核壳结构能够大大增加氧化石墨烯和磁性纳米粒子的接触面积，这两种因素共同作用，导致其具有优异性能。本项目研究有望大大加快磁性氧化石墨烯复合材料吸附剂的应用进程，并将为其结构设计及制备方法的改进提供重要理论指导。