新型功能纳米材料的合成及其吸附性能研究

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本文合成了四种新型吸附剂材料,并围绕材料对有机染料和重金属离子的吸附性能展开了系统研究,主要进行了以下几方面创新性的工作:  ⑴通过改进的Hummers氧化法合成了石墨烯氧化物GO,然后通过共沉淀法成功的将Fe3O4磁性纳米颗粒修饰到了GO表面,得到了磁性石墨烯氧化物MNPs-GO。通过TEM和AFM表征,表明它是具有褶皱的石墨片层结构,片层厚度约为3.3 nm,并且表面修饰有直径约10 nm左右的磁性纳米颗粒。通过FTIR、XRD、UV-vis以及XPS测试进一步证明修饰到GO表面的纳米粒子为Fe3O4磁性纳米颗粒。XPS测试和TGA热重分析的结果表明材料MNPs-GO上带有丰富的碳-碳双键和羧基官能团,并测得羧基官能团约占样品质量的35 wt%。在此基础上系统考察了磁性石墨烯氧化物MNPs-GO对有机染料罗丹明B(RhB)的吸附性能,结果表明MNPs-GO对RhB的吸附可以在一个较宽的pH范围内有效地进行,这在实际的废水处理中是非常有利的。并且吸附在10 min内即可达到吸附平衡,说明这是一个高效的吸附过程。此外Langmuir吸附等温线模型很好地解释了该吸附过程,并且由此获得的MNPs-GO对RhB的理论吸附容量为714.3mg/g,远远大于其他文献报道的石墨烯基材料对RhB的吸附容量。而且,该材料对真实水环境中的RhB去除效率可达到98%。这些都说明MNPs-GO作为处理染料废水的一种性能优良的吸附剂,有潜在的工业应用价值。  ⑵通过氧化剂NaClO氧化制备了石墨烯氧化物GO。在合成方法上具有一定的创新性。TGA热重分析测得材料GO中羧基官能团约占样品质量的30wt%。而且FTIR结果同样证明了MNPs-GO中存在大量共轭结构和丰富的羧基官能团,为吸附染料分子提供了大量的活性位。在此基础上,我们探究了石墨烯氧化物GO对染料RhB的吸附过程,实验发现吸附在短的时间内(10 min)即可达到吸附平衡,说明GO对RhB吸附效率非常高。此外Langmuir吸附等温线模型可以很好地解释该吸附过程属于单分子层吸附,并且由此获得的GO对RhB的理论吸附容量为174.5 mg/g。  ⑶利用溶剂热法成功地将的磁性纳米粒子Fe3O4修饰到石墨烯材料上,制备出磁性石墨烯材料。经过调节前驱体铁盐和石墨烯氧化物的比例,可以控制Fe3O4的负载量,合成了一系列磁性石墨烯材料,为进一步合成有应用价值的磁性石墨烯提供了研究基础。  ⑷利用溶剂热法成功合成了磁性纳米颗粒MNPs,在此基础上采用溶胶-凝胶法,并用TEOS为硅源,合成了核壳结构磁性纳米颗粒MNPs@SiO2,并对TEOS用量、催化剂的用量以及二者加入顺序等合成条件进行了优化。再利用含有氨基的硅烷偶联剂APTES对MNPs@SiO2进行表面修饰,并以金属离子Cu2+为模板成功合成了分子印迹材料MNPs@SiO2-NH2。通过SEM、FTIR、XRD以及VSM等手段对样品进行表征。SEM表征结果显示,由MNPs经过两次包覆形成MNPs@SiO2-NH2,粒径明显变大,并且颗粒间有一定的团聚。从FTIR图中MNPs@SiO2-NH2在2930 cm-1的C-H振动峰,和1495 cm-1较弱的C-N振动峰,都表明氨基被成功地修饰到了磁性纳米颗粒表面,形成氨基化磁性纳米颗粒MNPs@SiO2-NH2。VSM测定结果显示MNPs@SiO2-NH2的饱和磁化强度为31.8emu/g。将所制备的分子印迹材料MNPs@SiO2-NH2应用于水溶液中的重金属离子Cu2+的吸附。探究了吸附时间和Cu2+初始浓度对吸附性能的影响,并以另一种二价金属离子Pb2+作为对照,考察了材料的吸附选择性。实验发现印迹的MNPs@SiO2-NH2吸附容量达到28.6 mg/g,接近非印迹材料吸附容量的3倍。这说明在材料合成中,可以通过印迹手段来提高材料的吸附容量。通过与吸附Pb2+的实验对照,可以看出,印迹的MNPs@SiO2-NH2对Cu2+的吸附容量远高于对Pb2+的吸附容量。由此可见所制备的印迹MNPs@SiO2-NH2对Cu2+确实具有较好的吸附选择性。
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