基本信息
- 項目名稱：
- TiO2/膨脹石墨及氧化石墨烯的制備與應用
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本文采用HClO4/H3PO4/KMnO4氧化插層體系，制備得到膨脹石墨。利用所得可膨脹石墨，以TBOT為鈦源，在600℃下煅燒得到TiO2/膨脹石墨光催化材料；并采用Hummer法制備氧化石墨烯并對其進行表征。使用膨脹石墨、TiO2/膨脹石墨對模擬有機污水進行處理。探究了溫度、pH值、吸附時間對膨脹石墨吸附浮油效果的影響。分析了制備條件對TiO2/膨脹石墨脫色率的影響。
- 詳細介紹：
- 隨看現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，有機污水逐漸成為量大而廣的污染源，世界上每年至少有近1000萬噸有機污水通過各種途徑進入水體，因此消除有機污水的有效途徑和措施，具有十分顯著的經(jīng)濟價值和社會意義。膨脹石墨作為一種疏松多孔的碳素材料，膨脹之后，其表面及內部孔結構非常發(fā)達，比表面積可達50～300 m2/g。加之具有疏水性和親油性，無毒無害，比重小，在水體油脂污染防治領域應用潛力巨大。 納米TiO2是當前應用最為廣泛的一種光催化劑，TiO2在光照下，可加快有機污染物的降解速度并提高降解率。但是直接使用納米TiO2來凈化有機污水存在諸多問題，例如：TiO2的密度比水大不能漂浮在水面上，以至不能有效接受光照，且在光催化之后分離回收比較困難，導致光催化成本過高。TiO2/膨脹石墨，可充分利用膨脹石墨對油的吸附性能和納米銳鈦礦型TiO2對有機物的催化降解性能，有效提高含油污水的降解效率。在有機污水治理方面具有廣闊的應用前景。 石墨烯因其優(yōu)異的電學、力學性能，已經(jīng)成為材料科學和凝聚態(tài)物理領域最為活躍的研究前沿。目前石墨烯制備方法有機械剝離法，外延生長法，溶劑熱法，氣相沉積法等。但由于工藝復雜、產(chǎn)率較低等原因，難以應用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)?；瘜W氧化剝離法制備石墨烯被認為是一種常規(guī)且大規(guī)模合成石墨烯的有效途徑。氧化石墨烯的制備作為化學氧化剝離法制備石墨烯的重要一環(huán)，對石墨烯及氧化石墨烯復合材料的制備有重要意義 本文首先采用HClO4/H3PO4/KMnO4氧化插層體系，利用氧化插層，微波膨脹等工藝制備得到膨脹石墨。利用上述體系所得可膨脹石墨，以TBOT為鈦源，在600℃下煅燒得到TiO2/膨脹石墨光催化材料；并采用Hummer法制備氧化石墨，超聲后得到氧化石墨烯并對其進行表征。隨后，使用自制膨脹石墨、TiO2/膨脹石墨對模擬有機污水進行處理。探究了溫度、pH值、吸附時間對膨脹石墨吸附浮油效果的影響。分析了煅燒時間、H2O加入量、TBOT加入量對TiO2/膨脹石墨脫色率及表觀催化速率的影響。 主要結論有：HClO4/H3PO4/KMnO4氧化插層體系制備的膨脹石墨微波膨脹40s，其膨脹體積達到最大，為286mL/g；溫度升高，膨脹石墨對水的吸附量增加，對水面柴油的吸附量減小，而酸性或堿性條件有利于發(fā)揮膨脹石墨的吸附性能；在TiO2/膨脹石墨方面，TiO2晶型與煅燒時間有關，一定量的TBOT對TiO2/膨脹石墨的膨脹有促進作用；對于制備氧化石墨烯，XRD圖譜和TEM圖表明，化學剝離這種方法是可行的；FTIR圖譜表明，氧化石墨的表面和邊緣含有大量的環(huán)氧基、羥基等官能團，有利于其在N,N-二甲基甲酰胺溶液中經(jīng)超聲剝離獲得質量較好的氧化石墨烯薄片。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 隨看現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，有機污水逐漸成為量大而廣的污染源，世界上每年至少有近1000萬噸有機污水通過各種途徑進入水體，因此消除有機污水的有效途徑和措施，具有十分顯著的經(jīng)濟價值和社會意義。膨脹石墨作為一種疏松多孔的碳素材料，膨脹之后，其表面及內部孔結構非常發(fā)達，比表面積可達50～300 m2/g。加之具有疏水性和親油性，無毒無害，比重小，在水體油脂污染防治領域應用潛力巨大。
科學性、先進性及獨特之處
- 本作品成功制備出膨脹倍率達268ml/g的無硫膨脹石墨材料。 隨后采用無硫膨脹石墨與TiO2復合，制備TiO2/無硫膨脹石墨復合材料。 經(jīng)模擬污水降解實驗。該材料對上述污水吸附分解率達90%以上， 有效解決了現(xiàn)有處理污水方法不能徹底清除水中油脂和吸附選擇性較差，不能同時吸附油和水等問題。 最后探究了氧化石墨烯的制備工藝，經(jīng)表征，驗證了懸浮液中單層氧化石墨烯的存在。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 膨脹石墨是一種疏松多孔的碳素材料，其表面及內部孔結構非常發(fā)達，比表面積可達50～300 m2/g。加之具有疏水性和親油性，無毒無害，比重小，在含油污水防治領域應用潛力巨大。
學術論文摘要
- 本文采用HClO4/H3PO4/KMnO4氧化插層體系，利用氧化插層，微波膨脹等工藝制備得到無硫膨脹石墨，探究了溫度、pH值、吸附時間對膨脹石墨吸附浮油效果的影響。隨后利用上述體系所得無硫可膨脹石墨，以Ti(O-Bu)4為鈦源，在600℃下煅燒得到TiO2/無硫膨脹石墨光催化材料。分析了煅燒時間、H2O加入量、Ti(O-Bu)4加入量對TiO2/無硫膨脹石墨膨脹倍率及表觀催化速率的影響。并研究了氧化石墨烯的制備工藝并對其進行表征。 主要結論有：HClO4/H3PO4/KMnO4氧化插層體系制備的膨脹石墨微波膨脹40s，其膨脹體積達到最大，為286mL/g；溫度升高，膨脹石墨對水的吸附量增加，對水面柴油的吸附量減小，酸性或堿性條件有利于發(fā)揮膨脹石墨的吸附性能；在TiO2/無硫膨脹石墨方面，一定量的Ti(O-Bu)4對TiO2/無硫膨脹石墨的膨脹有促進作用；對于制備氧化石墨烯，XRD圖譜和TEM圖表明，化學剝離這種方法是可行的；FTIR圖譜表明，氧化石墨的表面和邊緣含有大量的環(huán)氧基、羥基等官能團，有利于其在N,N-二甲基甲酰胺溶液中經(jīng)超聲剝離獲得質量較好的氧化石墨烯薄片。
獲獎情況
- 1.發(fā)表論文 晏夢雨,何媛,王增奎.TiO2/無硫膨脹石墨的制備及影響因素[J].中國粉體技術,2010.10(16):46-48. 王增奎,李珍,晏夢雨.無硫膨脹石墨的制備及對浮油吸附研究[J]. 中國粉體技術,2010.10(16):49-52. 2.獲得獎勵 中國地質大學（武漢）科技論文報告會校級三等獎 第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽校一等獎
鑒定結果
- 該同學已在實驗室開展膨脹石墨相關研究近兩年時間，完成了膨脹石墨、TiO2/膨脹石墨、氧化石墨烯的制備及其吸附性能研究等研究。其申報成果為琪課外學術科技活動成果，情況屬實。
參考文獻
- 檢索目錄： [1]Cao Hong, Ma Enbao, Wang Xuehua et al. Absorption and Photocatalytic Degradation of Machine oil by Exfoliated Graphite-Supported Nanometer TiO2 Material [J]. ACTA GEOLOGICA SINICA, 2006(80):285-289. [2]黃綿峰,鄭治祥,徐光青等.膨脹石墨負載納米二氧化鈦光催化劑的制備、表征與其光催化性能[J].硅酸鹽學報,2007,36(3):325-329. [3]Yue Xueqing, Zhang Ruijun, Wang Wenying et al. Effect of TiO2 doping technique on decomposition of crude oil absorbed into expanded graphite [J]. Materials Letters, 2008(62):1919-1922. [4]陳陽,龐秀言,游婷婷等.負載氧化鈦的膨脹石墨的制備[J].炭素,2008,(4):8-12. [5]T.Tsumura, N. Kojitani, H. Umemura, M. Toyoda et al. Composites between photoactive anatase-type TiO2 and adsorptive carbon[J]. Applied Surface Science,2002(15):429-436. [6] S.Stankovieh,R.Piner,et al. Synthesis and exfoliation of isocyanate-treated grapheme oxide nanoplatelets [J].Carbon, 2006,44:3342-3347. [7] Si Y. Samulski E T. Synthesis of water soluble grapheme [J].Nano Letter,2008,8:1679-1682.
同類課題研究水平概述
- 對于TiO2/膨脹石墨復合材料的研究，國外起步較早。在2002年，T.Tsumura與M.Toyoda兩人首次嘗試將TiO2與膨脹石墨復合，其實驗結果表明，銳鈦礦型TiO2能夠穩(wěn)定的存在于膨脹石墨表面與層間。同時，在吸附分解重油方面膨脹石墨與負載的TiO2之間有很好的協(xié)同效應。膨脹石墨作為載體，通過擴散可為TiO2提供一個重油富集的環(huán)境，由于重油被有效富集、濃縮，在吸附分解重油時，加快了TiO2的光催化反應速度，降低了材料表面的重油濃度，形成膨脹石墨內外表面，及膨脹石墨與重油溶液的濃度差，從而進行再吸附，形成了一個載體吸附、表面擴散，光催化降解的循環(huán)，在這樣的循環(huán)過程中，產(chǎn)生吸附與光催化降解的協(xié)同效應。膨脹石墨的多孔性以及TiO2在膨脹石墨表面的分散性有效地提高了TiO2的光催化性能。但由于膨脹石墨表面的不均勻性，他們所制備的材料存在TiO2易于膨脹石墨表面富集的問題。 在國內，2006年CAO Hong等采用先制取膨脹石墨，后負載TiO2的方法制備TiO2/膨脹石墨復合材料，發(fā)現(xiàn)該方法有利于TiO2進入膨脹石墨孔隙，但降低了所制備膨脹石墨的膨脹倍率。李冀輝等以重鉻酸鉀和過氧化氫為氧化劑，濃硫酸、乙酸酐和鈦酸丁酯為插入劑，經(jīng)水洗、干燥、高溫膨化一步制得嵌入二氧化鈦的膨脹石墨，嵌入后膨脹石墨的最大膨脹容積為280ml/g。2007年黃綿峰等沿用Cao Hong分步制備的思路，首先采用化學氧化法以重鉻酸鉀為氧化劑，濃硫酸和硝酸為插入劑制備膨脹石墨，然后采用溶膠-凝膠法將膨脹石墨浸泡在鈦酸丁酯-乙醇溶膠中，經(jīng)干燥、煅燒制得膨脹石墨負載氧化鈦光催化劑。 石墨烯的主要制備方法有微機械剝離法，外延生長法，化學剝離法，溶劑熱法，氣相沉積法等。在化學剝離法制備石墨烯方面，Stankovich等人利用Hummers法制備氧化石墨，在超聲波處理作用下制備氧化石墨烯，利用水冷凝器下100℃油浴以水合脫為還原劑制備石墨烯。發(fā)現(xiàn)得到的石墨烯片層自發(fā)團聚，形成一種由石墨烯片組成具有高表面積的納米炭材料，該石墨烯聚集體具有高的導電率，可用于儲氫以及作為聚合物填料增加其導電性。天津大學的Zhang等人利用氫氧化鉀，氫氧化鈉溶液處理氧化石墨懸浮液，通過簡單的加熱和低功率超聲得到分散性良好的石墨烯溶液，此過程被認為是一種無毒，且可以用于工業(yè)放大制備石墨烯的有效方法。
