CN103407997A - 一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料的宏量制备方法 - Google Patents
一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料的宏量制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料的宏量制备方法，属于室内空气净化技术领域。本发明利用聚乙烯亚胺和氧化石墨为原料，用聚乙烯亚胺来引导石墨烯的组装，采用冻干的方法得到了一种三维石墨烯气凝胶。所述的石墨烯气凝胶是一种可以应用于室内空气净化的吸附材料。本发明采用温和的溶液法，合成方法具有成本低、绿色环保、简单易行、易于控制、可宏量制备等优点，适用于工业大规模生产；制备的三维石墨烯气凝胶对有毒的甲醛气体显示出优异的吸附性能，吸附量达到了2.43mg/g，是一种可以应用于室内空气净化领域的新型吸附材料。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种可用于空气净化领域的吸附材料及其制备方法，具体是一种甲醛气体吸附材料及其宏量制备方法。
背景技术
甲醛污染是居室污染的一个重要因素。甲醛是一种原生毒质，空气中甲醛会对眼、鼻、喉、皮肤等产生明显的刺激作用。吸附法由于具有脱除效率高、富集功能强、不会造成二次污染等优点，成为近年来治理低浓度有害气体的有效方法。在各种吸附材料中，碳基吸附材料是一种应用最广泛的吸附材料。
石墨烯是最近几年发展起来的一种由碳原子以sp2杂化键合而成的二维周期性蜂窝状点阵结构的碳基纳米材料。基于其独特的二维单原子层结构，石墨烯具有超大的理论比表面积（2630m2g-1），有望作为高性能吸附材料，然而，石墨烯纳米片层间较强的范德华力以及石墨烯的疏水性质使得石墨烯片层极易层层堆积，如何合成高性能的石墨烯基吸附材料是石墨烯基吸附材料研究中的关键问题，构筑石墨烯基多孔三维框架结构是一种非常有效的方法。相较原始石墨烯及其他形态结构的石墨烯基材料，基于其三维网络及多孔结构特征，三维框架结构的石墨烯基材料表现出更为优异的物理化学性质。石墨烯三维结构框架就像泡沫和气凝胶，是一种肉眼可见的、大比表面积的、可调整内部形态的整体大尺寸材料。由于三维结构框架的石墨烯基材料所体现出的大比表面积，因此具有优异的吸附潜质。最近，三维框架结构石墨烯基材料吸附去除水体系中污染物的研究相继被报道。
发明内容
本发明的目的在于针对目前缺乏简单有效的方法来制备三维石墨烯基材料，以及具有优异吸附潜质的三维石墨烯基材料还未被用于空气净化领域的现状，利用聚乙烯亚胺和氧化石墨为原料，提供了一种操作简单、产率高、绿色环保的三维石墨烯气凝胶的宏量制备方法。其包括如下步骤：
第一步，通过经典的hummer法制备氧化石墨；
第二步，将所制备的氧化石墨固体分散到水中超声处理两小时，然后离心分离，离心分离选择4000rpm的条件下离心分离30分钟，获得氧化石墨烯的悬浮液，浓度为2mg/ml；
第三步，将聚乙烯亚胺加入到体积为20～200ml的氧化石墨烯悬浮液中形成混合溶液，混合溶液中聚乙烯亚胺的浓度为1.0×10-5～2.5×10-5M，将混合溶液在90℃的条件下反应30分钟～6小时，获得三维结构石墨烯水凝胶；优选地，混合溶液中聚乙烯亚胺的浓度为2.0×10-5～2.5×10-5M。
第四步，将获得的石墨烯水凝胶用去离子水洗涤以除去多余的杂质，然后在温度为零下45℃，压力为0.02mbar的条件下冻干48～96小时获得石墨烯气凝胶。优选冻干时间为72～96小时。
所述的石墨烯气凝胶是一种可以应用于室内空气净化的吸附材料。
在本发明中，如果没有特别地说明，所采用的溶液都是在常规条件下制备的，比如在室温下将物质溶解在水溶液中制备得到的。
在本发明中，如果没有特别地说明，所采用的装置、仪器、设备、材料、工艺、方法、步骤、制备条件等都是本领域常规采用的或者本领域普通技术人员按照本领域常规采用的技术可以容易地获得的。
相比于现有制备三维石墨烯气凝胶及其应用领域，本发明具有如下优点：
1、采用温和的溶液法，合成方法具有成本低、绿色环保、简单易行、易于控制、可宏量制备等优点，适用于工业大规模生产
2、制备的三维石墨烯气凝胶对有毒的甲醛气体显示出优异的吸附性能，吸附量达到了2.43mg/g，是一种可以应用于室内空气净化领域的新型吸附材料。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的石墨烯气凝胶的照片。
图2为本发明实施例1所制备的石墨烯气凝胶的扫描电镜照片。
图3为本发明实施例1所制备的石墨烯气凝胶对甲醛的吸附曲线。
图4为本发明实施例2所制备的大块石墨烯气凝胶的照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来具体地说明石墨烯气凝胶的制备方法及应用性能，但应当理解，这些实施例仅用于阐述本发明，而并不以任何方式限制本发明的保护范围。
实施例1
利用经典的hummer法制备氧化石墨，将1克氧化石墨溶解在100mL水中，超声处理两小时，将获得的分散液在4000rpm的条件下离心分离30分钟，留取上面的氧化石墨烯悬浮液，通过稀释获得浓度为2mg/ml的氧化石墨烯悬浮液，取氧化石墨烯悬浮液20ml，加入聚乙烯亚胺，形成混合溶液。混合溶液中聚乙烯亚胺的浓度为2.5×10-5M，将上述混合溶液在90℃不搅拌的条件下反应6小时，得到石墨烯水凝胶，将获得的石墨烯水凝胶先用去离子水洗涤以除去残余的杂质，然后在温度为零下45℃，压力为0.02mbar的条件下冻干72小时获得石墨烯气凝胶。所得产物的照片如图1，图1显示所制备的产物为宏观整块石墨烯气凝胶。其扫描电镜照片如图2，图2显示产物的整体形貌为由石墨烯片层组装而成的三维气凝胶。在室温下，以氧气和氩气混合气体为载气，甲醛为被检测气体检测气凝胶对甲醛的吸附性能，混合载气中氧气的体积分数为20%，甲醛的浓度为140ppm,图3显示石墨烯气凝胶对甲醛的吸附性能的测试结果，结果显示所制备的石墨烯气凝胶对甲醛有优异的吸附性能，5分钟就达到吸附平衡，吸附量达到2.43mg/g。
实施例2
利用经典的hummer法制备氧化石墨，将1克氧化石墨溶解在100mL水中，超声处理两小时，将获得的分散液在4000rpm的条件下离心分离30分钟，留取上面的氧化石墨烯悬浮液，通过稀释获得浓度为2mg/ml的氧化石墨烯悬浮液。取氧化石墨烯悬浮液200ml，加入聚乙烯亚胺形成混合溶液，混合溶液中聚乙烯亚胺的浓度为2.5×10-5M，将上述混合溶液在90℃不搅拌的条件下反应6小时，得到石墨烯水凝胶，将获得的石墨烯水凝胶先用去离子水洗涤以除去残余的杂质，然后在温度为零下45℃，压力为0.02mbar的条件下冻干72小时获得石墨烯气凝胶。所得产物的照片如图4，图4显示所制备的产物为宏观大块石墨烯气凝胶。说明通过改变氧化石墨烯悬浮液的体积，可以宏量制备大块的石墨烯气凝胶。实施例1形成的圆柱状气凝胶的直径约为2.3cm,而此实例中气凝胶的直径约为5.0cm。在室温下，以氧气和氩气混合气体为载气，甲醛为被检测气体检测气凝胶对甲醛的吸附性能，混合载气中氧气的体积分数为20%，甲醛的浓度为140ppm,此方法得到的石墨烯气凝胶对甲醛的吸附量达到2.2mg/g。
实施例3
利用经典的hummer法制备氧化石墨，将1克氧化石墨溶解在100mL水中，超声处理两小时，将获得的分散液在4000rpm的条件下离心分离30分钟，留取上面的氧化石墨烯悬浮液，通过稀释获得浓度为2mg/ml的氧化石墨烯悬浮液，取氧化石墨烯悬浮液20ml，加入聚乙烯亚胺，混合溶液中聚乙烯亚胺的浓度为2.5×10-5M，将上述混合溶液在90℃不搅拌的条件下反应30分钟，得到石墨烯水凝胶，将获得的石墨烯水凝胶先用去离子水洗涤以除去残余的杂质，然后在温度为零下45℃，压力为0.02mbar的条件下冻干72小时获得石墨烯气凝胶。所制备的产物为宏观整块石墨烯气凝胶。扫描电镜照片显示产物的整体形貌为由石墨烯片层组装而成的三维气凝胶。石墨烯气凝胶对甲醛的吸附性能的测试结果显示，所制备的石墨烯气凝胶对甲醛有优异的吸附性能，吸附量达到2.43mg/g。
实施例4
利用经典的hummer法制备氧化石墨，将1克氧化石墨分散到100mL水中，超声处理两小时，将获得的分散液在4000rpm的条件下离心分离30分钟，留取上面的氧化石墨烯悬浮液，通过稀释的方法获得浓度为2mg/ml的氧化石墨烯悬浮液，取氧化石墨烯悬浮液50ml,加入聚乙烯亚胺，混合溶液中聚乙烯亚胺的浓度为1.5×10-5M，将上述混合溶液在90℃不搅拌的条件下反应6小时，得到石墨烯水凝胶，将获得的石墨烯水凝胶先用去离子水洗涤以除去残余的杂质，然后在温度为零下45℃，压力为0.02mbar的条件下冻干96小时获得石墨烯气凝胶。该方法得到的石墨烯气凝胶对甲醛的吸附量达到1.96mg/g。
实施例5
利用经典的hummer法制备氧化石墨，将1克氧化石墨分散到100mL水中，超声处理两小时，将获得的分散液在4000rpm的条件下离心分离30分钟，留取上面的氧化石墨烯悬浮液，通过稀释的方法获得浓度为2mg/ml的氧化石墨烯悬浮液，取氧化石墨烯悬浮液100ml,然后加入聚乙烯亚胺，混合溶液中聚乙烯亚胺的浓度为2.0×10-5M，将上述混合溶液在90℃不搅拌的条件下反应3小时，得到石墨烯水凝胶，将获得的石墨烯水凝胶先用去离子水洗涤以除去残余的杂质，然后在温度为零下45℃，压力为0.02mbar的条件下冻干96小时获得石墨烯气凝胶。
实施例6
利用经典的hummer法制备氧化石墨，将1克氧化石墨分散到100mL水中，超声处理两小时，将获得的分散液在4000rpm的条件下离心分离30分钟，留取上面的氧化石墨烯悬浮液，通过稀释的方法获得浓度为2mg/ml的氧化石墨烯悬浮液，取氧化石墨烯悬浮液150ml,加入聚乙烯亚胺，混合溶液中聚乙烯亚胺的浓度为1.0×10-5M，将上述混合溶液在90℃不搅拌的条件下反应1小时，得到石墨烯水凝胶，将获得的石墨烯水凝胶先用去离子水洗涤以除去残余的杂质，然后在温度为零下45℃，压力为0.02mbar的条件下冻干96小时获得石墨烯气凝胶。
Claims (8)
1.一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料的宏量制备方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步，通过经典的hummer法制备氧化石墨；
第二步，将所制备的氧化石墨固体分散到水中超声处理两小时，然后离心分离，获得氧化石墨烯的悬浮液；
第三步，将聚乙烯亚胺加入到氧化石墨烯悬浮液中形成混合溶液，将混合溶液在90℃的条件下反应30分钟～6小时，获得三维结构石墨烯水凝胶；
第四步，将获得的石墨烯水凝胶用去离子水洗涤以除去多余的杂质，然后在温度为零下45℃，压力为0.02mbar的条件下冻干48～96小时获得石墨烯气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料的宏量制备方法，其特征在于：所述的氧化石墨烯的悬浮液的浓度为2mg/ml。
3.根据权利要求1所述的一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料的宏量制备方法，其特征在于：第二步中所述的离心分离选择4000rpm的条件下离心分离30分钟。
4.根据权利要求1所述的一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料的宏量制备方法，其特征在于：第三步所述混合溶液中聚乙烯亚胺的浓度为1.0×10-5～2.5×10-5M。
5.根据权利要求1或4所述的一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料的宏量制备方法，其特征在于：第三步所述混合溶液中聚乙烯亚胺的浓度为2.0×10-5～2.5×10-5M。
6.根据权利要求1所述的一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料的宏量制备方法，其特征在于：第四步中冻干时间为72～96小时。
7.一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料，其特征在于：所述宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料为由石墨烯片层组装而成的三维气凝胶。
8.一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料，其特征在于：所述的石墨烯气凝胶吸附材料是一种可应用于室内空气净化的吸附材料，对甲醛气体的吸附量为1.96～2.43mg/g。
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