基本信息
- 项目名称：
- TiO2/膨胀石墨及氧化石墨烯的制备与应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文采用HClO4/H3PO4/KMnO4氧化插层体系，制备得到膨胀石墨。利用所得可膨胀石墨，以TBOT为钛源，在600℃下煅烧得到TiO2/膨胀石墨光催化材料；并采用Hummer法制备氧化石墨烯并对其进行表征。使用膨胀石墨、TiO2/膨胀石墨对模拟有机污水进行处理。探究了温度、pH值、吸附时间对膨胀石墨吸附浮油效果的影响。分析了制备条件对TiO2/膨胀石墨脱色率的影响。
- 详细介绍：
- 随看现代工业的发展，有机污水逐渐成为量大而广的污染源，世界上每年至少有近1000万吨有机污水通过各种途径进入水体，因此消除有机污水的有效途径和措施，具有十分显著的经济价值和社会意义。膨胀石墨作为一种疏松多孔的碳素材料，膨胀之后，其表面及内部孔结构非常发达，比表面积可达50～300 m2/g。加之具有疏水性和亲油性，无毒无害，比重小，在水体油脂污染防治领域应用潜力巨大。 纳米TiO2是当前应用最为广泛的一种光催化剂，TiO2在光照下，可加快有机污染物的降解速度并提高降解率。但是直接使用纳米TiO2来净化有机污水存在诸多问题，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，且在光催化之后分离回收比较困难，导致光催化成本过高。TiO2/膨胀石墨，可充分利用膨胀石墨对油的吸附性能和纳米锐钛矿型TiO2对有机物的催化降解性能，有效提高含油污水的降解效率。在有机污水治理方面具有广阔的应用前景。 石墨烯因其优异的电学、力学性能，已经成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿。目前石墨烯制备方法有机械剥离法，外延生长法，溶剂热法，气相沉积法等。但由于工艺复杂、产率较低等原因，难以应用于大规模工业生产。化学氧化剥离法制备石墨烯被认为是一种常规且大规模合成石墨烯的有效途径。氧化石墨烯的制备作为化学氧化剥离法制备石墨烯的重要一环，对石墨烯及氧化石墨烯复合材料的制备有重要意义 本文首先采用HClO4/H3PO4/KMnO4氧化插层体系，利用氧化插层，微波膨胀等工艺制备得到膨胀石墨。利用上述体系所得可膨胀石墨，以TBOT为钛源，在600℃下煅烧得到TiO2/膨胀石墨光催化材料；并采用Hummer法制备氧化石墨，超声后得到氧化石墨烯并对其进行表征。随后，使用自制膨胀石墨、TiO2/膨胀石墨对模拟有机污水进行处理。探究了温度、pH值、吸附时间对膨胀石墨吸附浮油效果的影响。分析了煅烧时间、H2O加入量、TBOT加入量对TiO2/膨胀石墨脱色率及表观催化速率的影响。 主要结论有：HClO4/H3PO4/KMnO4氧化插层体系制备的膨胀石墨微波膨胀40s，其膨胀体积达到最大，为286mL/g；温度升高，膨胀石墨对水的吸附量增加，对水面柴油的吸附量减小，而酸性或碱性条件有利于发挥膨胀石墨的吸附性能；在TiO2/膨胀石墨方面，TiO2晶型与煅烧时间有关，一定量的TBOT对TiO2/膨胀石墨的膨胀有促进作用；对于制备氧化石墨烯，XRD图谱和TEM图表明，化学剥离这种方法是可行的；FTIR图谱表明，氧化石墨的表面和边缘含有大量的环氧基、羟基等官能团，有利于其在N,N-二甲基甲酰胺溶液中经超声剥离获得质量较好的氧化石墨烯薄片。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 随看现代工业的发展，有机污水逐渐成为量大而广的污染源，世界上每年至少有近1000万吨有机污水通过各种途径进入水体，因此消除有机污水的有效途径和措施，具有十分显著的经济价值和社会意义。膨胀石墨作为一种疏松多孔的碳素材料，膨胀之后，其表面及内部孔结构非常发达，比表面积可达50～300 m2/g。加之具有疏水性和亲油性，无毒无害，比重小，在水体油脂污染防治领域应用潜力巨大。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品成功制备出膨胀倍率达268ml/g的无硫膨胀石墨材料。 随后采用无硫膨胀石墨与TiO2复合，制备TiO2/无硫膨胀石墨复合材料。 经模拟污水降解实验。该材料对上述污水吸附分解率达90%以上， 有效解决了现有处理污水方法不能彻底清除水中油脂和吸附选择性较差，不能同时吸附油和水等问题。 最后探究了氧化石墨烯的制备工艺，经表征，验证了悬浮液中单层氧化石墨烯的存在。
应用价值和现实意义
- 膨胀石墨是一种疏松多孔的碳素材料，其表面及内部孔结构非常发达，比表面积可达50～300 m2/g。加之具有疏水性和亲油性，无毒无害，比重小，在含油污水防治领域应用潜力巨大。
学术论文摘要
- 本文采用HClO4/H3PO4/KMnO4氧化插层体系，利用氧化插层，微波膨胀等工艺制备得到无硫膨胀石墨，探究了温度、pH值、吸附时间对膨胀石墨吸附浮油效果的影响。随后利用上述体系所得无硫可膨胀石墨，以Ti(O-Bu)4为钛源，在600℃下煅烧得到TiO2/无硫膨胀石墨光催化材料。分析了煅烧时间、H2O加入量、Ti(O-Bu)4加入量对TiO2/无硫膨胀石墨膨胀倍率及表观催化速率的影响。并研究了氧化石墨烯的制备工艺并对其进行表征。 主要结论有：HClO4/H3PO4/KMnO4氧化插层体系制备的膨胀石墨微波膨胀40s，其膨胀体积达到最大，为286mL/g；温度升高，膨胀石墨对水的吸附量增加，对水面柴油的吸附量减小，酸性或碱性条件有利于发挥膨胀石墨的吸附性能；在TiO2/无硫膨胀石墨方面，一定量的Ti(O-Bu)4对TiO2/无硫膨胀石墨的膨胀有促进作用；对于制备氧化石墨烯，XRD图谱和TEM图表明，化学剥离这种方法是可行的；FTIR图谱表明，氧化石墨的表面和边缘含有大量的环氧基、羟基等官能团，有利于其在N,N-二甲基甲酰胺溶液中经超声剥离获得质量较好的氧化石墨烯薄片。
获奖情况
- 1.发表论文 晏梦雨,何媛,王增奎.TiO2/无硫膨胀石墨的制备及影响因素[J].中国粉体技术,2010.10(16):46-48. 王增奎,李珍,晏梦雨.无硫膨胀石墨的制备及对浮油吸附研究[J]. 中国粉体技术,2010.10(16):49-52. 2.获得奖励 中国地质大学（武汉）科技论文报告会校级三等奖 第八届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛校一等奖
鉴定结果
- 该同学已在实验室开展膨胀石墨相关研究近两年时间，完成了膨胀石墨、TiO2/膨胀石墨、氧化石墨烯的制备及其吸附性能研究等研究。其申报成果为琪课外学术科技活动成果，情况属实。
参考文献
- 检索目录： [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]黄绵峰,郑治祥,徐光青等.膨胀石墨负载纳米二氧化钛光催化剂的制备、表征与其光催化性能[J].硅酸盐学报,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]陈阳,庞秀言,游婷婷等.负载氧化钛的膨胀石墨的制备[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.
同类课题研究水平概述
- 对于TiO2/膨胀石墨复合材料的研究，国外起步较早。在2002年，T.Tsumura与M.Toyoda两人首次尝试将TiO2与膨胀石墨复合，其实验结果表明，锐钛矿型TiO2能够稳定的存在于膨胀石墨表面与层间。同时，在吸附分解重油方面膨胀石墨与负载的TiO2之间有很好的协同效应。膨胀石墨作为载体，通过扩散可为TiO2提供一个重油富集的环境，由于重油被有效富集、浓缩，在吸附分解重油时，加快了TiO2的光催化反应速度，降低了材料表面的重油浓度，形成膨胀石墨内外表面，及膨胀石墨与重油溶液的浓度差，从而进行再吸附，形成了一个载体吸附、表面扩散，光催化降解的循环，在这样的循环过程中，产生吸附与光催化降解的协同效应。膨胀石墨的多孔性以及TiO2在膨胀石墨表面的分散性有效地提高了TiO2的光催化性能。但由于膨胀石墨表面的不均匀性，他们所制备的材料存在TiO2易于膨胀石墨表面富集的问题。 在国内，2006年CAO Hong等采用先制取膨胀石墨，后负载TiO2的方法制备TiO2/膨胀石墨复合材料，发现该方法有利于TiO2进入膨胀石墨孔隙，但降低了所制备膨胀石墨的膨胀倍率。李冀辉等以重铬酸钾和过氧化氢为氧化剂，浓硫酸、乙酸酐和钛酸丁酯为插入剂，经水洗、干燥、高温膨化一步制得嵌入二氧化钛的膨胀石墨，嵌入后膨胀石墨的最大膨胀容积为280ml/g。2007年黄绵峰等沿用Cao Hong分步制备的思路，首先采用化学氧化法以重铬酸钾为氧化剂，浓硫酸和硝酸为插入剂制备膨胀石墨，然后采用溶胶-凝胶法将膨胀石墨浸泡在钛酸丁酯-乙醇溶胶中，经干燥、煅烧制得膨胀石墨负载氧化钛光催化剂。 石墨烯的主要制备方法有微机械剥离法，外延生长法，化学剥离法，溶剂热法，气相沉积法等。在化学剥离法制备石墨烯方面，Stankovich等人利用Hummers法制备氧化石墨，在超声波处理作用下制备氧化石墨烯，利用水冷凝器下100℃油浴以水合脱为还原剂制备石墨烯。发现得到的石墨烯片层自发团聚，形成一种由石墨烯片组成具有高表面积的纳米炭材料，该石墨烯聚集体具有高的导电率，可用于储氢以及作为聚合物填料增加其导电性。天津大学的Zhang等人利用氢氧化钾，氢氧化钠溶液处理氧化石墨悬浮液，通过简单的加热和低功率超声得到分散性良好的石墨烯溶液，此过程被认为是一种无毒，且可以用于工业放大制备石墨烯的有效方法。
