石墨烯的制备及其对铬吸附的研究(附件)【字数：13496】
石墨烯自2004年被发现以来，对其的研究一直有增无减。石墨烯独特的二维层状结构使得它具有很多优异的性能，比如说高的电导率、磁性、良好的机械性能等。近年来，由于石墨烯的高比面积性质，其理论比表面积达到2630平方米/克，其在污水处理方面的前景引起的研究工作者的广泛关注，并取得了一定的成果。本文主要通过改良的Hummers法制备石墨烯并对其进行表征，在35℃以下完成氧化石墨烯的制备，降低氧化石墨烯发生还原的可能性，制备完成后研究其对三价铬离子的吸附性能，并最终得出相应结论。通过X射线衍射仪和扫描电镜对制得的石墨烯进行表征，结果表明石墨烯的尺寸减小，分层现象明显，无序度增加，表面出现褶皱和凸起，有利于其吸附。在吸附实验中，通过控制石墨烯的用量和二者的接触时间两个变量，来观察吸附效果。吸附结果表明在石墨烯用量为110mg/50ml、二者接触时间为120min的条件下，吸附效果最佳，其对铬离子的去除率达到65.4%，同时吸附量为69.55mg/g。石墨烯的吸附效果与其他天然的吸附剂如锯屑、改性纤维素、芦苇席相比，有明显的优势，对铬离子的吸附效果明显。关键词石墨烯；铬离子；吸附
目录
第一章绪论 1
1.1 石墨烯的概述 1
1.2 石墨烯的制备 2
1.2.1 机械剥离法 2
1.2.2 化学气相沉积法 2
1.2.3 碳管剪切法 3
1.2.4 外延生长法 3
1.2.5 化学法 4
1.3 石墨烯的性能 5
1.3.1 电学性能 5
1.3.2 机械性能 5
1.3.3 热学性能 6
1.3.4 吸附性能 6
1.3.5 其他性能 6
1.4 水体中的铬污染及其处理 7
1.4.1 铬离子的危害 7
1.4.2 含铬废水处理技术 7
1.5 本文主要研究内容 10
第二章实验部分 11
2.1实验药品 11
2.2 实验仪器 11
2.2.1 X射线衍射仪 12
2.2.2 扫描电镜 13
2.2.3紫外可见近红外分光光度计 13 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.3 实验步骤 14
2.3.1 氧化石墨烯的制备 15
2.3.2氧化石墨烯的还原 16
2.3.3 石墨烯吸附性能研究实验 16
第三章石墨烯的表征及吸附性能研究 18
3.1石墨烯的表征 18
3.1.1 X射线衍射图样及分析 18
3.1.2 扫描电镜图样及分析 20
3.2 石墨烯的吸附实验 21
3.2.1 实验药品及器材 22
3.2.2实验步骤 22
3.3 吸附结果分析 25
3.3.1 吸附剂用量对吸附的影响 25
3.3.2 吸附动力学 26
3.3.3 实验结果对比及不足 29
结论 30
致谢 31
参考文献 32
第一章绪论
石墨烯的概述
2010年诺贝尔物理学家被授予英国曼彻斯特大学的俄裔科学家康斯丁诺沃肖洛夫和安德烈盖姆，以表彰他们对石墨烯研究所作出的贡献。2004年，两位科学家在实验室通过机械剥离的方法制得了石墨烯，从而打破了非绝对零度情况下不可能存在二维材料的说法。具体来讲，他们通过使用胶带纸粘住石墨，在胶带上得到一层石墨，然后不断用胶带去粘已带有石墨的胶带，这样经过无数次一分为二的粘扯分离，得到只有一个原子厚度的石墨结构，称之为石墨烯。
石墨烯的问世，拉开了人们对其研究的热潮。有数据表明，在2004年之前，世界范围内研究石墨烯的论文数量不超过100篇，到了2005年相关论文数量突破200篇，到2009年，这个数据为2232篇[1]。世界上研究石墨烯的国家多达79个，相关的科研机构更是多达数百个，这其中就有著名的加利福尼亚大学、中国科学研究院、普朗克研究中心等机构。对于石墨烯，人们研究的主要是其电学性能、光学性能、磁性性能以及热力学等方面，并对这些性质在实际中的应用做出了探索。国内目前研究石墨烯的主要机构有清华、北大、南开等著名高校以及中科院等研究机构。
石墨烯由一层层蜂窝状排列的碳原子在二维空间上堆叠形成的，层片之间主要依靠分子间结合力而结合在一起的。如图11所示，其所有原子都是以sp2形式杂化形成的，同时又贡献出p轨道上的电子，与周围碳原子形成大π键。值得注意的是，这个大π键可以自由移动，因此其在多方面都具有良好的性能。石墨烯作为一种新型材料，人们对它的研究热度依然很高，其诸多的优秀性能如高的电导率、热导率、比表面积、磁性都吸引着众多学者去研究。
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图11：石墨烯的结构示意图
石墨烯的制备
自2004年石墨烯问世以来，除了其优良的性质受到人们管饭关注外，如何制备石墨烯也成为了人们关注的热点。石墨烯的制备方法多种多样，目前常用的方法有机械剥离法、化学气相沉积法[2]、碳管剪切法、外延生长法和氧化还原法等[3]。
机械玻璃法
石墨烯由两位俄裔科学家于2004年第一次制备出来，他们所使用的方法就是机械剥离法。具体来讲，就是使用机械微应力的方法将石墨烯从大的晶体上裁剪出来。具体就是通过特殊方法分离出石墨片，再用特殊的胶带粘贴该石墨片，使其分离，重复操作可以得到单层的石墨烯。目前，这是最普通的石墨烯制备方法，由该方法制备出来的石墨烯质量较好，可以在外界环境下稳定存在。但由于此方法耗时长，而且每一步都可能失败，最后制得的石墨烯量也十分少，所以其不是目前的主流制备方法。
化学气相沉积法
化学气象沉积法是目前制备石墨烯较常用的一种方法，它是通过小分子含碳化合物（如碳氢化合物）通过分解出碳原子并将其沉积在活性基底（如铜、镍、二氧化硅等）上制备出石墨烯。由于后续过程中要将石墨烯从基底上分离出来，所以该方法对基底的要求较高，通常需要一定的脱氢性能。在使用化学气相沉积法制备石墨烯的过程中，压力是一个很重要的影响因素[4]。通常有常压、低压和超低压三种情况，后两者可以使反应具有更高的可控性能，并且可以得到高纯度的石墨烯。但由于需要抽气装置，且反应速度较慢，所以生产成本较高。所以在没有特殊要求的情况下，通常选用常压化学气相沉积法制备石墨烯。此外，化学气相沉积制备出的石墨烯厚度可以控制，面积较大，并且可以通过沉积到一定形状的基底上来制备出特定形状的石墨烯，使得大规模制备出固定形状石墨烯成为可能[5]。但该方法有一个不足之处就是容易让石墨烯制品中携带基体金属原子。
目录
第一章绪论 1
1.1 石墨烯的概述 1
1.2 石墨烯的制备 2
1.2.1 机械剥离法 2
1.2.2 化学气相沉积法 2
1.2.3 碳管剪切法 3
1.2.4 外延生长法 3
1.2.5 化学法 4
1.3 石墨烯的性能 5
1.3.1 电学性能 5
1.3.2 机械性能 5
1.3.3 热学性能 6
1.3.4 吸附性能 6
1.3.5 其他性能 6
1.4 水体中的铬污染及其处理 7
1.4.1 铬离子的危害 7
1.4.2 含铬废水处理技术 7
1.5 本文主要研究内容 10
第二章实验部分 11
2.1实验药品 11
2.2 实验仪器 11
2.2.1 X射线衍射仪 12
2.2.2 扫描电镜 13
2.2.3紫外可见近红外分光光度计 13 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.3 实验步骤 14
2.3.1 氧化石墨烯的制备 15
2.3.2氧化石墨烯的还原 16
2.3.3 石墨烯吸附性能研究实验 16
第三章石墨烯的表征及吸附性能研究 18
3.1石墨烯的表征 18
3.1.1 X射线衍射图样及分析 18
3.1.2 扫描电镜图样及分析 20
3.2 石墨烯的吸附实验 21
3.2.1 实验药品及器材 22
3.2.2实验步骤 22
3.3 吸附结果分析 25
3.3.1 吸附剂用量对吸附的影响 25
3.3.2 吸附动力学 26
3.3.3 实验结果对比及不足 29
结论 30
致谢 31
参考文献 32
第一章绪论
石墨烯的概述
2010年诺贝尔物理学家被授予英国曼彻斯特大学的俄裔科学家康斯丁诺沃肖洛夫和安德烈盖姆，以表彰他们对石墨烯研究所作出的贡献。2004年，两位科学家在实验室通过机械剥离的方法制得了石墨烯，从而打破了非绝对零度情况下不可能存在二维材料的说法。具体来讲，他们通过使用胶带纸粘住石墨，在胶带上得到一层石墨，然后不断用胶带去粘已带有石墨的胶带，这样经过无数次一分为二的粘扯分离，得到只有一个原子厚度的石墨结构，称之为石墨烯。
石墨烯的问世，拉开了人们对其研究的热潮。有数据表明，在2004年之前，世界范围内研究石墨烯的论文数量不超过100篇，到了2005年相关论文数量突破200篇，到2009年，这个数据为2232篇[1]。世界上研究石墨烯的国家多达79个，相关的科研机构更是多达数百个，这其中就有著名的加利福尼亚大学、中国科学研究院、普朗克研究中心等机构。对于石墨烯，人们研究的主要是其电学性能、光学性能、磁性性能以及热力学等方面，并对这些性质在实际中的应用做出了探索。国内目前研究石墨烯的主要机构有清华、北大、南开等著名高校以及中科院等研究机构。
石墨烯由一层层蜂窝状排列的碳原子在二维空间上堆叠形成的，层片之间主要依靠分子间结合力而结合在一起的。如图11所示，其所有原子都是以sp2形式杂化形成的，同时又贡献出p轨道上的电子，与周围碳原子形成大π键。值得注意的是，这个大π键可以自由移动，因此其在多方面都具有良好的性能。石墨烯作为一种新型材料，人们对它的研究热度依然很高，其诸多的优秀性能如高的电导率、热导率、比表面积、磁性都吸引着众多学者去研究。
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图11：石墨烯的结构示意图
石墨烯的制备
自2004年石墨烯问世以来，除了其优良的性质受到人们管饭关注外，如何制备石墨烯也成为了人们关注的热点。石墨烯的制备方法多种多样，目前常用的方法有机械剥离法、化学气相沉积法[2]、碳管剪切法、外延生长法和氧化还原法等[3]。
机械玻璃法
石墨烯由两位俄裔科学家于2004年第一次制备出来，他们所使用的方法就是机械剥离法。具体来讲，就是使用机械微应力的方法将石墨烯从大的晶体上裁剪出来。具体就是通过特殊方法分离出石墨片，再用特殊的胶带粘贴该石墨片，使其分离，重复操作可以得到单层的石墨烯。目前，这是最普通的石墨烯制备方法，由该方法制备出来的石墨烯质量较好，可以在外界环境下稳定存在。但由于此方法耗时长，而且每一步都可能失败，最后制得的石墨烯量也十分少，所以其不是目前的主流制备方法。
化学气相沉积法
化学气象沉积法是目前制备石墨烯较常用的一种方法，它是通过小分子含碳化合物（如碳氢化合物）通过分解出碳原子并将其沉积在活性基底（如铜、镍、二氧化硅等）上制备出石墨烯。由于后续过程中要将石墨烯从基底上分离出来，所以该方法对基底的要求较高，通常需要一定的脱氢性能。在使用化学气相沉积法制备石墨烯的过程中，压力是一个很重要的影响因素[4]。通常有常压、低压和超低压三种情况，后两者可以使反应具有更高的可控性能，并且可以得到高纯度的石墨烯。但由于需要抽气装置，且反应速度较慢，所以生产成本较高。所以在没有特殊要求的情况下，通常选用常压化学气相沉积法制备石墨烯。此外，化学气相沉积制备出的石墨烯厚度可以控制，面积较大，并且可以通过沉积到一定形状的基底上来制备出特定形状的石墨烯，使得大规模制备出固定形状石墨烯成为可能[5]。但该方法有一个不足之处就是容易让石墨烯制品中携带基体金属原子。
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