[發明專利]一步法合成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠及其對多種重金屬離子的電吸附去除

在審

• 申請號: 201610159049.0
• 申請日: 2016-03-18
• 公開（公告）號: CN105668724A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 孔泳;徐斕;魏永
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: C02F1/469
• 分類號: C02F1/469;C01B31/04;C02F101/20;C02F101/22
• 代理公司: 暫無信息
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技術領域

本發明涉及一步法合成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠及其對多種重金屬離子的電吸附去除， 屬于廢水處理和材料合成領域。

技術背景

目前,水體中的重金屬污染日益受到人們的共同關注,這也成為國內外水環境污染治理的 研究難題和焦點。水體中的重金屬離子可以在水生生物中富集,通過食物鏈危害人體健康。目 前常用的處理重金屬離子廢水的方法有化學沉淀法、氧化法、還原法、蒸發濃縮法、離子交 換法、活性炭吸附法和浮選法等,但都不同程度存在操作困難、處理費用昂貴、易造成二次污 染等缺點。電吸附法是近60年來發展起來的新型水處理技術,具有能耗低、對環境無二次污 染等優點,在水處理的領域有很大的應用潛力和廣泛的應用前景。

用于電吸附的材料有活性碳、碳納米管等含碳材料。石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌 道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯因其擁有 較大的比表面積、載流子遷移率高、機械靈活性優異且良好的熱/化學穩定性等眾多獨特的性 能，從而受到了廣泛的關注，并應用于很多研究領域，像光子器件、環境修復、生物技術、 催化劑、新能源電池領域等。但是，在制備石墨烯的過程中，由于石墨烯中存在的π-π鍵和 范德華力可能會導致它發生不可逆的聚集或者重新堆疊成石墨結構，這會影響了石墨烯的性 能。而3D石墨烯就能有效地防止這一現象的發生。并且這一新型材料—石墨烯水凝膠/氣凝 膠，具有更大的比表面積，同時質量輕、機械性能好、電子轉移率高。

在電吸附材料中摻雜其他的雜原子如氮、硫、磷、硼等可以有效的增加重金屬離子的吸 附率，這歸因于雜原子和重金屬離子之間的螯合作用。因此，本發明利用石墨烯氣凝膠的大 比表面積以及高的電子轉移率用于去除廢水中的重金屬離子，在氣凝膠中摻雜氮、硫原子， 制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠，同時對多種重金屬離子之間的電吸附效果進行了研究，這種 方法目前尚未見報道。

發明內容

本發明的目的是在于將材料氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠應用于一個新的領域—電吸附水中 重金屬離子中。將氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠制成吸附電極后能有效的吸附水中的重金屬離子。

本發明涉及一步法合成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠及其對多種重金屬離子的電吸附去除， 包括以下步驟：

a、制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠：將氧化石墨烯超聲分散于去離子水中，超聲10～30min 使其分散均勻。待其分散均勻后加入L-半胱氨酸，攪拌使其分散均勻。然后將混合液在95℃ 的條件下進行水浴加熱2h。反應結束后，將反應產物置于蒸餾水中沉浸2～3天，然后冷凍 干燥，得到氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠材料；

b、制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極：將步驟a制得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠與預 先配制的聚乙烯醇溶液混合，形成糊狀的分散液，移取0.1～0.4mL的分散液均勻涂抹于硬紙 片上，冷凍干燥，得到氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極；

c、電化學法去除水中重金屬離子：配制重金屬離子溶液，量取重金屬離子溶液置于電吸 附容器中，將步驟b中制得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極對多種重金屬離子分別進行電 吸附實驗。電吸附重金屬離子實驗采用三電極體系，以紙電極為工作電極，鉑片電極為對電 極，甘汞電極為參比電極。同時使用電導率儀實時監測溶液電導率的變化，當電導率保持不 變時，即各紙電極吸附達到平衡。

進一步，步驟a中L-半胱氨酸與氧化石墨烯的質量比為3:1，反應溫度為95℃，反應時 間為2～4h。

進一步，步驟c中電吸附水中的多種重金屬離子分別為Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺及Cu²⁺。

本發明的有益效果是：氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠的制備方法簡便易行，制備過程環保無 污染，以這些材料修飾的電極對于水中重金屬離子的吸附效率較高、時間短、操作簡便，材 料的電吸附性能與以往材料相比也有了大幅的提升。

附圖說明

下面結合附圖對本發明進一步說明。

圖1為實施例一中制備的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠的紅外譜圖(FT-IR圖)；

圖2為實施例二中氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠對多種重金屬離子的電吸附效果，橫坐標為 不同的重金屬離子，縱坐標為重金屬離子去除率；

圖3為實施例三中氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極的吸附性能隨再生次數的變化。