多环芳烃的石墨烯吸附
完--氧化石墨烯改性PVC的性能研究总结
氧化石墨烯改性PVC的性能研究 摘要通过共混方法制备了分散均匀的聚氯乙烯（PVC）/氧化石墨烯（GO）复合材料，研究了材料的力学性能、热稳定性能、导电性能。结果表明，微量GO能较大幅度提高PVC的拉伸强度，且保持较高的断裂伸长率；添加GO还能提高PVC的起始分解温度、最大分解温度以及PVC的成碳量。 关键词：聚氯乙烯；氧化石墨烯；改性 石墨烯(Graphene，又称单层石墨或二维石墨，图1所示)是单原子厚度的呈二维蜂窝状排列的碳原子晶体，被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨（图2所示）的基本结构单元[1]。在石墨烯中，碳原子以sp2杂化轨道与其它原子通过强σ键相连接，这些高强度的σ键使石墨烯具有优异的结构钢性，平行片层方向具有很高的强度。碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键π电子，这些π电子在同一平面层碳原子的上下形成大π键，进而形成垂直于石墨烯片层的互相平行的π轨道，这种离域π电子在碳网平面内可以自由流动，类似自由电子，因此在石墨烯面内具有类似于金属的导电性和导热性，它的抗磁性也十分明显。因其特殊结构石墨烯具有高的比表面积[2] ，良好的力学和电学性能。石墨烯中载流子具有弹道输运特性，室温下载流子的平均自由程和相干长度达到微米量级，迁移率(200000 cm2／Vs)大约是硅的100倍，有利于制造更小的快速转换信号的晶体管[3-5]，因其一系列优异的性质，引起科技工作者的极大兴趣。 图1 石墨烯基本结构示意图图2 单层石墨烯及其派生物 石墨烯丰富和奇特的物理化学性质，这使人们联想到石墨烯衍生物是否也具备如此的优异性能。因此，多种具有不同性能的石墨烯衍生物也逐步被发现，其中包括氧化石墨烯(grapheme oxide) [6],,反磁性半氢化石墨烯（graphone）[7],和半导体氢化石墨烯（graphane）[8]等等。在这些物质中氧化石墨烯以其低廉的制备成本，高度的可加工性能，在多个领域的应用都有所涉及。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，成为制备石墨烯和基于石墨烯复合材料的理想前驱体。氧
石墨烯介绍
1石墨烯概述-结构及性质 1.1 石墨烯的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中，如图1所示。每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，如图2所示，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。 图1 石墨烯的结构示意图 图2石墨烯：其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维 碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨 1.2石墨烯的性质 石墨烯独特的单原子层结构，决定了其拥有许多优异的物理性质。如前所述，石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的π 电子，这些电子可形成与平面垂直的π轨道，π 电子可在这种长程π 轨道中自由移动，从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s)，相当于光速的1/300，在特定条件，如液氦的温度下，更是可达到250000cm2/(V·s)，远远超过其他半导体材料，如锑化铟、砷化镓、硅半
导体等。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。并且电子在晶格中的移动是无障碍的，不会发生散射，使其具有优良的电子传输性质。同时，石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质，比如室温量子霍尔效应等。由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ 键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近，哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比最好的钢铁还要高100 倍。石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低，因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递，而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K), 优于碳纳米管，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高10 倍以上。除了优异的传导性能及力学性能之外，石墨烯还具有一些其他新奇的性质。由于石墨烯边缘及缺陷处有孤对电子，使石墨烯具有铁磁性等磁性能。由于石墨烯单原子层的特殊结构，使石墨烯的理论比表面积高达2630m2/g。石墨烯也具备独特的光学性能，单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。 图3石墨烯的应用 2石墨烯聚酯复合材料的制备方法 由于石墨烯优异的性质以及低的成本，石墨烯作为聚合物纳米填料被广泛报道。为了获得优异性能的聚合物/石墨烯复合材料，首先要保证石墨烯在聚合物基体中均匀分散。石墨烯的分散与制备方法、石墨烯表面化学、橡胶种类以及石墨烯-橡胶界面有着密切关系。聚合物/石墨烯复合材料的制备方法主要有溶液共混、熔体加工、原位聚合和乳液共混四种方法。 2.1 溶液共混法 溶液共混法主要是采用聚合物本身聚合体系的有机溶剂,充分分散石墨烯于体系中，随着体系聚合反应进行，最后石墨烯均匀分散并充分结合于聚合物基体中，得到石墨烯/聚合物复合材料的一种方法。通常先制备氧化石墨烯作为前驱体,对其进行功能化改性使之能在聚合体系溶剂中分散，还原后与聚合物进行溶液共混，从而制备石墨烯/聚合物复合材料。通过溶液共混制备复合材料的关键是将石墨烯及其衍生物均匀分散在能溶解聚合物的溶剂中。
石墨烯对废水中重金属处理
石墨烯对水中重金属的处理技术 摘要：石墨烯作为目前自然界最薄、强度最高的材料，具有极大的比表面积、良好的化学稳定性以及表面活性，是一种高效的去除水中重金属的吸附材料。本文介绍了石墨烯材料的种类、特征，分析了去除废水中重金属离子的机理，应用情况，影响因素。指出了石墨烯作为吸附剂的潜在劣势，以及在水处理过程中的应用前景。 Abstract: As the thinnest and strongest material, graphene has huge surface area, excellent chemical stability and suface activity, which is an efficient absorption material for removing heavy metals from water. This paper introduces the types and characteristics of graphenematerials; analyzes the mechanism of graphenen materials removing heavy metal ion from waste water, the applications and influencing factors; points out the disadvantages and prospects of the graphene as an absorbent. 关键词：重金属污染石墨烯吸附水处理 前言 水乃生命之源，不管是对于人类，动植物，还是微生物，但是随着工业的发 展，各种各样的重金属离子被排入水体，随后被动植物吸收，又随着食物链浓缩， 进入人体，在人体内能和蛋白质及各种酶发生强烈的相互作用，使它们失去活性， 也可能在人体的某些器官中富集，如果超过人体所能耐受的限度，会造成人体急 性中毒、亚急性中毒、慢性中毒等，严重危害人类的健康。如日本发生的水俣病 和骨痛病等公害病，都是由重金属污染引起的。 面对亟待解决的重金属污染问题，寻求一种高效便捷的处理技术极其重要， 常见的重金属处理方法有化学沉淀法、混凝沉淀法、电解法、离子交换法、吸附 法和生物处理法等，其中吸附法操作简单，成本低廉，备受青睐，而吸附剂的选 择是吸附法的关键。
石墨烯基本特性
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用高度定向的热解石墨首次获得了独立存在的高质量石墨烯，打破了传统的物理学观点:二维晶体在常温下不能稳定存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是一种碳原子分布在二维蜂巢晶体点阵上的单原子层晶体。被认为是构建所有其他维数石墨材料的基本单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，如图所示。石墨烯晶体C-C键长为0.142nm，每个碳原子4 个价电子中的3 个通过σ键与临近的3个碳原子相连，S、Px 和Py3个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构。这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。拉伸强度高达130Gpa，破坏强度为42N/m，杨氏模量为1.0TPa,断裂强度为125Gpa 与碳纳米管相当。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右，是世界上最薄的二维材料。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。（百度百科）石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。
石墨烯结构示意图（10） 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。传统的半导体和导体，例如硅和铜，由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能。而在石墨烯中，每个碳原子都有一个垂直于碳原子平面的σz轨道的未成键的p电子，在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键，可以在晶体中自由高效的迁移，且运动速度高达光速的1/300，电子能量不会被损耗，赋予了石墨烯良好的导电性。晶格平面两侧高度巡游的大π键电子又使其具有零带隙半导体和狄拉克载流子特性宽
石墨烯基础知识简介
1.石墨烯（Graphene）的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。C原子外层3个电子通过sp2杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。 如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。 图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。 图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。前两类具有
相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。 单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。 双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC 堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。 由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。这种微观褶皱在横向上的尺度在8~10nm 范围内，纵向尺度大概为 0.7~1.0nm。这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨单层容易聚集。同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。 图1.3 单层石墨烯的典型构象 除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。但是通过一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。 2.石墨烯的性质 2.1 力学特性
氧化石墨烯的制备
大学生创新训练项目 研究报告 项目名称：氧化石墨烯和磁性氧化石墨烯的制备及其吸附性的研究 项目类型：一般项目 项目年度：2014年 项目负责人：李柯学号：32012080015 负责人院（系）：安全与环境工程学院环境工程系 专业（方向）：环境工程 项目组成员：杨梦凡、杨舒、卢光远 指导教师：任冬梅 教务处制 二〇一五年 摘要
石墨烯是由单层碳原子排列组合而成，呈六边形网状结构，因其特殊的二维结构表现出许多优异的性质。而氧化石墨烯由于在表面及边缘上大量含氧基团的引入，易于修饰与功能化，且保持着化学稳定性。本文采用改良hummers法制备氧化石墨烯。本文采用改良hummers 法制备氧化石墨烯。改进后制备较高氧化程度的氧化石墨的原料：天然鳞片石墨1g，浓硫酸23ml，高锰酸钾3g，硝酸钠0.5g，30%双氧水10ml，35%的盐酸，蒸馏水若干（实验中采用了多组不同的原料用量配比，过程记录以此组数据为例）。并得到如下结论：制取氧化石墨烯时，一定范围内，天然鳞片石墨用量减少可以提高氧化程度；硝酸钠用量的变化对石墨烯氧化程度影响不大；适度增加高锰酸钾和双氧水的用量同样可以提高氧化程度。实验过程中，高锰酸钾对石墨烯的氧化起着至关重要的作用，加入高锰酸钾时长时间缓慢增加对石墨烯氧化程度的效果比一次性直接加入要好。改进后的方法有利于提高实验室合成氧化石墨烯的效率，一定程度上降低了实验操作的难度。制取磁性氧化石墨烯的过程中，是在强碱性（PH>12）的环境下，让氧化石墨烯与FeCl3和FeCl2水浴恒温，使生成的纳米Fe3O4直接镶嵌复合到氧化石墨烯上。最后在不同浓度的PH条件下测得氧化石墨烯和磁性氧化石墨烯对甲基橙和重金属离子的吸收。 关键词：氧化石墨烯、磁性氧化石墨烯、吸附性
碳材料对重金属离子的吸附性实验
碳材料对重金属的吸附及gamma射线辐照还原 一：碳材料的选择 活性炭；活性炭纤维；碳纳米管；磁性多孔碳材料；氧化石墨烯①。 材料的选择主要考虑材料的吸附容量和吸附速度，还需要考虑材料的机械强度，选择性跟抗干扰性。然后再对材料进行一系列的预处理。 常用的处理方法： 1 化学试剂处理 2 辐射照射处理 3 共聚接枝 比如具有吸附能力碳纳米管（CNTs）的预处理，就是选用一定浓度的过氧化氢，次氯酸钠，硝酸，高锰酸钾溶液。吸附能力增强的几个原因。 二：材料的吸附 材料的吸附性实验，即是一种探究性优化实验。 资料中一般用材料吸附一些生活生产中常见的重金属污染物。如：镉离子，铜离子，铅离子，铬离子等等。随即研究这种材料在不同时间，不同的pH，不同的吸附剂用量。依此得出这种材料最佳的吸附条件。 最后绘制等温吸附曲线。用朗缪尔，弗罗因德等温吸附方程式拟合。继而进一步分析这种材料的吸附机理。 三：gamma射线的辐照还原 辐照还原的实质就是对已经吸附的重金属离子进行解析。使这种吸附材料能够重复利用。 附录： ①：其吸附机理可大致分为三大类：10 不发生化学反应，由分子间的相互引力
产生吸附力即物理吸附。20 发生化学反应，通过化学键力引起的化学吸附。30 由于静电引力使重金属离子聚集到吸附剂表面的带电点上，置换出吸附剂原有的离子的交换吸附。 活性炭对金属离子的吸附机理是金属离子在活性炭表面的离子交换吸附，同时还有金属离子同其表面含氧基团之间的化学吸附以及金属离子在其表面沉积而产生的物理吸附。 两个常用的等温式：langmuir，freundlich
斜对角线原则 材料的吸附容量和吸附速度，还需要考虑材料的机械强度，选择性跟抗干扰性。孔径跟比表面积。 材料对金属离子吸附效果的依赖性。 酸处理跟碱处理 酸处理会增加含氧官能团，酸性官能团，从而提高亲水性跟离子交换性能 碱处理会增加微孔数目。 典型制备方法： 将ACF GAC反复用蒸馏水冲洗至溶液的pH不变，再于80℃干燥过夜。 干燥过的ACF GAC 中分别加入1.0mol/l 硝酸溶液加热煮沸3h，再用蒸馏水洗涤，于80℃干燥过夜。 碱处理即把硝酸改为KOH溶液。 负载ZnO-GAC 碳纳米管吸附性好坏明显依赖溶液的PH和碳纳米管的表面状态。
石墨烯吸附氨气-2009
Home Search Collections Journals About Contact us My IOPscience Adsorption of ammonia on graphene This article has been downloaded from IOPscience. Please scroll down to see the full text article. 2009 Nanotechnology 20 245501 (https://www.360docs.net/doc/f615159597.html,/0957-4484/20/24/245501) View the table of contents for this issue, or go to the journal homepage for more Download details: IP Address: 218.197.201.89 The article was downloaded on 02/03/2012 at 03:40 Please note that terms and conditions apply.
IOP P UBLISHING N ANOTECHNOLOGY Nanotechnology20(2009)245501(8pp)doi:10.1088/0957-4484/20/24/245501 Adsorption of ammonia on graphene Hugo E Romero1,Prasoon Joshi2,Awnish K Gupta1, Humberto R Gutierrez1,Milton W Cole1,3, Srinivas A Tadigadapa2,3,4and Peter C Eklund1,3,4 1Department of Physics,Pennsylvania State University,University Park,PA16802,USA 2Department of Electrical Engineering,Pennsylvania State University,University Park, PA16802,USA 3Materials Research Institute,Pennsylvania State University,University Park,PA16802,USA E-mail:sat10@https://www.360docs.net/doc/f615159597.html, and pce3@https://www.360docs.net/doc/f615159597.html, Received26January2009,in?nal form28April2009 Published26May2009 Online at https://www.360docs.net/doc/f615159597.html,/Nano/20/245501 Abstract We report on experimental studies of NH3adsorption/desorption on graphene surfaces.The study employs bottom-gated graphene?eld effect transistors supported on Si/SiO2substrates. Detection of NH3occurs through the shift of the source–drain resistance maximum(‘Dirac peak’)with the gate voltage.The observed shift of the Dirac peak toward negative gate voltages in response to NH3exposure is consistent with a small charge transfer(f～0.068±0.004 electrons per molecule at pristine sites)from NH3to graphene.The desorption kinetics involves a very rapid loss of NH3from the top surface and a much slower removal from the bottom surface at the interface with the SiO2that we identify with a Fickian diffusion process. (Some?gures in this article are in colour only in the electronic version) 1.Introduction Graphene is a single?at atomic sheet of carbon with the atoms arranged in a two-dimensional(2D)honeycomb con?guration.Recent progress in isolating graphene on an insulating substrate(e.g.,SiO2or SiC)now enable this exotic 2D system to be probed experimentally[1–3].It has been shown to be a promising building block for novel generation of high speed and sensitive electronic devices[4–12].Electron transport experiments on graphene have demonstrated,among other effects,unusual carrier-density-dependent conductiv-ity[1,13,14],anomalous quantum Hall effect[13–15], minimum quantum conductivity[13],and exceptionally high electron mobilities[16,17].These remarkable electronic properties stem from the unique band structure of graphene, which exhibits conduction and valence bands with near-linear dispersion that touch at the Brillouin zone corners to make a zero gap semiconductor. Similar to earlier experiments on carbon nanotubes[18], the transport properties of graphene have been shown to be sensitive to molecules adsorbed on the surface(e.g.NH3,NO2, H2O and CO)[10,19].The details of the strength and character of the adsorption(chemi versus physisorption),and the degree of charge transfer between the analyte and graphene is still 4Authors to whom any correspondence should be addressed.under debate.Geim and co-workers were the?rst to report that a graphene Hall effect sensor device is capable of detecting individual molecules of NO2[10].Charge transfer between the graphene and NO2is thought to be important in this particular case[19,20]. Here,we report studies of the interaction of NH3with graphene?eld effect transistors(FETs)supported on Si/SiO2 substrates in order to provide further insight into the nature of the molecule–graphene interaction.The SiO2is used as a gate dielectric and the heavily doped Si substrate as the bottom gate electrode.By sweeping the gate voltage,we can follow the time evolution of the peak in the drain-source resistance (known as the‘Dirac’peak)to monitor the change of the Fermi level in graphene in response to the adsorption and desorption of NH3.Presumably,this shift of the Dirac peak is dominated by charge transfer effects.The Dirac peak shift and the thermodynamic data for NH3on graphite are used to determine the effective charge transfer per NH3molecule(f) to the graphene.Our value for f will be compared to recent theoretical calculations for NH3bound to the surface[20]and to the edges[21]of graphene. 2.Experimental details The graphene FETs studied here were supported on Si/SiO2 substrates and bottom-gated using the SiO2(300nm thermal
氧化石墨烯对结晶紫的吸附性能研究
专业综合实验报告 学院：化工与制药学院班级：精细化工1202班姓名：胡建雄 学号： 121408030309 指导老师：刘翠云
氧化石墨烯对结晶紫的吸附性能研究 精细化工1202班胡建雄 1.前言： 随着中国染料工业迅速发展，染料应用领域大大拓宽，不仅用于装点服饰、美化生活和环境，也已经成为化学工业的一个重要分支。染料大多是以化工产品合成的芳香类化合物，年产量很大，其中10%～15%被排放到废水中；染料化学性质稳定，难以降解，具有潜在的毒性及致癌作用，对人类及生态环境造成了严重的威胁。因此，工业染料废水的处理及环境水中染料污染的去除受到人们的广泛关注。多种方法如吸附法、膜分离法、磁分离法、化学氧化法、生物法等已应用于废水中染料的去除，其中吸附法效果较好，应用广泛。传统的吸附剂存在吸附容量低、难分离等缺点，因此，新型吸附剂材料的开发与研制成为近年来的研究热点。 氧化石墨烯(GO) 通常是由石墨经化学氧化、超声制备获得。因石墨来源广泛，价格低廉，氧化石墨烯便于大规模生产。同时，氧化石墨烯拥有大量的羟基、羧基、环氧基等含氧基团，是一种亲水性物质，与许多溶剂有着较好的相容性，非常适合在水处理中应用。目前报道的常用的石墨氧化方法主要有Brodie法、Standenmaier法以及Hummers法。其基本原理都是先用强酸处理石墨，形成石墨层间化合物，然后加入强氧化剂将其氧化。其中使用浓H2SO4、NaNO3及KMnO4作氧化剂的Hummers 法最为常用，该方法缩短了制备的时间，提高了安全系数，水处理应用中多采用该方法。氧化石墨烯可以通过化学法(利用还原剂如水合肼，二甲肼，硼氢化钠等) 、热剥离法、紫外光辐射法、微波法等方法还原成石墨烯。将氧化石墨烯表面的含氧基团部分还原后得到还原氧化石墨烯(RGO) ，提高了其表面电势，相比氧化石墨烯，对于水中阴离子污染物的吸附能力有所增强。 氧化石墨烯（GO）是一种新型二维碳纳米材料，由于具有超大的比表面积，表面有大量的含氧官能团（包括羟基、环氧基、羧基等），可以有效地吸附废水中的染料，已成为一种性能优异的新型吸附剂。
石墨烯材料在重金属废水吸附净化中的应用_吴春来
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2013年第32卷第11期?2668? 化工进展 石墨烯材料在重金属废水吸附净化中的应用 吴春来1，2，樊静1 （1河南师范大学环境学院，河南省环境污染控制重点实验室，黄淮水环境与污染防治教育部重点实验室，河南新乡 453007；2洛阳理工学院环境工程与化学系，河南洛阳 471023）摘 要：石墨烯材料具有较大的比表面积、良好的化学稳定性，近年来在环境污染物深度吸附处理方面的应用逐渐引起了人们的关注。本文综述了石墨烯材料在重金属离子的吸附处理方面的研究进展，包括普通石墨烯、氧化石墨烯、功能化石墨烯以及石墨烯复合物等材料；讨论了石墨烯表面功能化修饰对重金属离子吸附性能的影响；分析了各种材料的优点与缺点；提出了需进一步研究的问题，如石墨烯表面功能化修饰的结构-性能关系、石墨烯材料的循环使用以及石墨烯材料对痕量重金属离子的富集灵敏度等问题，指出合成选择性好、富集灵敏度高且可多次循环使用的石墨烯材料，在重金属废水的深度处理中将得到进一步应用。 关键词：石墨烯；重金属离子；环境水样；吸附 中图分类号：O 613.71；X 52 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2013）11–2668–08 DOI：10.3969/j.issn.1000-6613.2013.11.024 Adsorption of heavy metals by graphene based materials for wastewater purification WU Chunlai1，2，F AN Jing1 （1School of Environment，Henan Normal University，Henan Key Laboratory for Environmental Pollution Control，Key Laboratory for Yellow River and Huai River Water Environment and Pollution Control，Ministry of Education，Xinxiang 453007，Henan，China；2Department of Environment Engineering and Chemistry，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，Henan ，China） Abstract：Graphene based materials have large specific surface area and good chemical stability. In recent years，grapheme based materials are widely used for the deep adsorption of environmental pollutants in different samples and have received great attentions by researchers. In this paper，the recent progress for the adsorption of heavy metals by grapheme based materials was reviewed，including pristine graphene，grapheme oxide，functionalized grapheme and grapheme based composite. The influences on the metal ions adsorption property by functionalized graphene were discussed. The advantages and disadvantages of the materials for the adsorption of heavy metals were also analyzed. The future development in this area was proposed，such as the relationship between structure and property，the reusability of the material and the adsorption sensitivity for heavy metals at trace level. Several important issues are suggested for the future work，i.e. the synthesis of materials with high selectivity，sensitivity and reusability for the adsorption of heavy metal ions in waste water treatment. Key words：graphene；heavy metal；environmental water samples；adsorption 重金属离子的毒性大、分布广、含量低、不易降解，长期在环境中分散存在，最终通过生物富集作用被动植物吸收，通过食物链进入人体，对人类收稿日期：2013-04-01；修改稿日期：2013-05-29。 基金项目：国家自然科学基金项目（20977025）。 第一作者：吴春来（1979—），男，博士研究生。联系人：樊静，博士，教授，博士生导师，从事废水深度处理研究。E-mail fanjing@https://www.360docs.net/doc/f615159597.html,。
石墨烯对气体的吸附
石墨烯一经制备出来就受到了广泛关注，这归结于石墨烯的二维平面晶体结构具有良好的力学、电学等性质和广阔的应用前景。石墨烯有很大的比表面积，因而吸附性能好。石墨烯是零帯隙的半导体，没有磁性，而用其它原子吸附、掺杂，可以引入磁性甚至打开帯隙，这在纳米电子器件方面很有前途。石墨烯吸附VA、VIA、VIIA 族的典型原子，其最稳定的吸附位分别为桥位、桥位、顶位，而同一主族中最稳定的则是石墨烯吸附N、O、F 的情况。对石墨烯吸附这三种原子的研究，得出结论：N、O 原子的吸附为化学吸附，F 原子的吸附更偏向于物理吸附；完整石墨烯是零帯隙的半导体，F、N 吸附体系的费米能级发生了移动，并且穿过一条能级，体系成为导体，O 吸附体系则是拥有较窄帯隙0.133eV 的半导体；F、N 吸附体系呈铁磁性，其磁性来源于吸附原子与石墨烯衬底的相互作用，而O 吸附体系没有磁性。 早期研究表明CNTs能够很好的探测到N02和NH3气体分子掺杂也可以探测到NH3气体分子,纯石墨烯对02和N02分子敏感点缺陷掺杂的石墨稀对C0,NO和NO2气体分子敏感Li的掺杂能大大提高石墨稀对H2气体分子的吸附程度,一个Li 原子上最多可以吸附4个氏分子,Li掺杂的石墨烯很有潜力作为储氧材料Ural等人的研究结果表明Pd和Pt的掺杂也能使石墨稀有效地探测H2气体分子,但再用做储氢材料方面不管从吸附程度或材料质量方面都没有Li掺杂的石墨稀具有优势[33,341。Si替位掺杂后的石墨烯对CO,O2,N02和?0敏感增高而P掺杂后石墨稀可以利用磁性性质区分02和掺杂和S掺杂都能提高石墨烯对N02和S02的敏感度在以上前人所做的研究中并没有考虑到掺杂石墨烯对空气中最多的非惰性气体02分子的吸附,对02气体分子过于活跃的性质势必会阻碍掺杂石墨烯成为气体探测器的候选材料。 首先计算了O2分子在N、P、B、Si、S和O替位掺杂的石墨烯上的吸附情况。优化得到稳定结构,计算出吸附能。结果表明:Si和P掺杂的石墨烯吸附O2分子的吸附能过大,而N、B、S、和O掺杂的石墨烯对O2分子吸附能较小。 对非金属原子B、N、S、O掺杂的石墨烯吸附空气中主要污染气体C0、NO、NO2进行了进一步的理论研究,通过分析比较气体吸附前后的态密度图的差别发现,0、B掺杂石墨烯对NO气体分子的吸附敏感,N02气体分子的吸附会提高NG的电导率但会使BG的电导率下降,S掺杂的石墨烯原本具有明显的金属性质,吸附 N02后费米能级上的DOS降到了接近零呈现半导体性质。 在我们的研究中,CO气体分子的吸附对B、N、S、0掺杂的石墨烯电导性质的影响都不明显。这些非金属掺杂的石墨烯都不能成为探测CO气体分子的候选材料。根据前人的研究,点缺陷石墨烯的能够很好地探测CO气体分子,但对02分子也极其敏感[31'62],并不能有效地分辨出CO气体。其他基于石墨烯的材料对CO 气体分子的吸附特性还有待研究。 一是这些地区近地面空气相对湿度比较大，地面灰尘大，地面的人和车流使灰尘搅动起来； 二是没有明显冷空气活动，风力较小，大气层比较稳定由于空气的不流动，使空气中的微小颗粒聚集，漂浮在空气中； 三是天空晴朗少云，有利于夜间的辐射降温，使得近地面原本湿度比较高的空气饱和凝
氨基功能化石墨烯吸附锂原子的理论研究
收稿日期：2013-09-30; 修回日期：2013-12-02 基金项目：四川省科技厅项目(2011JYZ018)资助 作者简介：袁文彬(1987—)，男，四川南充人，硕士在读， E-mail ：303261358@https://www.360docs.net/doc/f615159597.html, 联系人：杨丽君(1976—)， 四川仁寿人，博士，E-mail ：ljyang@https://www.360docs.net/doc/f615159597.html, 第31卷 第5期 2014年5月28日 计算机与应用化学 Computers and Applied Chemistry V ol.31, No.5 May 28, 2014 氨基功能化石墨烯吸附锂原子的理论研究 袁文彬，杨丽君* (西华师范大学化学化工学院, 化学合成与污染控制四川省重点实验室, 四川，南充，637009) 摘要：运用第一性原理计算方法，研究了氨基功能化石墨烯(G-NH 2)的特点及对锂原子的吸附情况。计算结果表明，G-NH 2为P 型半导体，能隙0.54 eV ，有优良的导电性能；G-NH 2层间距大于4.0 ?，不会发生类似石墨烯的聚集行为，具有更好的稳定性。分析单个锂原子在石墨烯(G)和G-NH 2上的吸附，结果表明G 对锂的吸附能为-1.77 eV ，锂所带电荷为0.552; G-NH 2对锂的吸附能为(-2.43 ~ -3.51) eV ，锂所带电荷为0.546 ~ 0.639。因而G-NH 2对锂吸附作用更强、电荷转移性能更好。对比多个锂原子在G 与G-NH 2上的吸附，G-NH 2比G 对Li 吸附强且吸附量更大。以上计算结果表明，与本征石墨烯相比，G-NH 2对锂原子有更强吸附作用，电荷转移性能更佳，储锂量更大。 关键词：石墨烯； 氨基功能化；储锂；电极材料 中图分类号：O641 文献标识码：A 文章编号：1001-4160(2014)06-719-723 DOI: 10.11719/com.app.chem20140617 1 引言 2004年，英国曼彻斯特大学Geim 教授研究组首次发现并制备了石墨烯(G)[1]。石墨烯因具有独特的二维结构及新奇的物理、化学、生物特性而引起了广泛的国际关注并成为新材料领域的研究热点，在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域有良好的应用前景[2-8]。 近几年，研究人员已经证明石墨烯是一种优异的锂离子电池电极材料[9-12]。Suzuki 等通过分子轨道计算提出了石墨烯作为电极材料的理想储锂结构, 即石墨烯层间距为(7.7~8.3) ? 时，锂离子能以双层的形式存在于石墨烯层间，从而使电极达到最佳导电效果[13]。但这种理想结构难以形成，因为单层石墨烯之间容易相互作用形成双层甚至多层(此时石墨烯层间距小于4.0 ?)石墨烯，从而导致石墨烯电极导电能力降低。此外，结构完整的石墨烯化学稳定性高、表面呈惰性状态，因此在水及常见有机溶剂中难于分散。而且最近研究表明，石墨烯质轻且有毒[14-15]，若使用不慎或锂电池破损泄漏，将对环境与生物造成重大危害。鉴于此，对石墨烯进行有效地修饰和功能化，改善石墨烯材料的各项性能(如分散性、溶解性及导电性等)[16]，获得具有特殊形貌和微观结构的电极材料和减小其生物和环境毒性显得尤为重要。 目前，对石墨烯的功能化主要分为共价键功能化和非共价键功能化，其中，共价键功能化研究较为广泛[17]。在石墨烯的众多共价键功能化中，氨基功能化属于比较重要的一种。Sunil K 、Singh 、Yizhe Hu 等研究人员利用氧化石墨烯(GO)分别与乙二胺，4,4′-二氨基二苯醚，4,4′-氨苯砜和二甲基甲酰氨等反应，成功合成了各种氨基功能化的氨基石墨烯[14,18-19]。与G 相比，这些氨基石墨烯的界面相容性有了明显的提高，热稳定性、机械性能等 也均有较大改善。更重要的是，氨基石墨烯相对于G 以及GO 等纳米材料而言，无生物毒性，更加安全环保，因而有更大的应用前景。 目前，氨基石墨烯在复合材料、生物医学等方面的应用有较多研究，但在锂电池电极材料方面的研究还未见报导。鉴于此，为探索氨基修饰对石墨烯结构的影响及氨基石墨烯电极材料的储锂性能，本文采用第一性原理研究氨基(-NH 2)修饰对石墨烯的空间结构、电子性能及储锂效能的影响，以期为石墨烯锂电池电极材料改性及储锂材料研究提供参考。 2 计算细节 2.1 计算模型 对G 和G-NH 2的几何优化、电子特性及对Li 的吸附性能的模拟计算均在4×4×1石墨烯超级胞、共32个C 原子的基础上进行。相邻层间距设定为17 ?，以避免双层之间的相互影响。对多个Li 在G-NH 2上的吸附位点设置，我们参考了Ataca C 的相关研究[28]。对于G-NH 2空间稳定性的模拟计算，则基于3×3×1石墨烯超级胞、共30个C 原子上进行，并对边界进行氢化处理。 2.2 计算方法 采用密度泛函理论(DFT)平面波鹰势方法，交换相关势能采用广义梯度近似(GGA)中的PBE (Perdew –Burke –Ernzerhof )来处理[20]，使用自旋不受限制的Dmol3模块来 完成相关计算[21-22] 。布里渊区K 点设置为9×9×1。基组设定选择DNP ，并用All Electron 方法处理内核电子，收敛公差的品质选择Fine 。在模拟G-NH 2吸附Li 原子时，sme-aring 值设为0.01 Ha 、最大迭代次数选择100以保证收敛。为了计算相关吸附能，我们采用以下公式：