[发明专利]一种普鲁士蓝/石墨烯/碳纤维复合材料的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种普鲁士蓝/石墨烯/碳纤维复合材料的制备方法，该材料可用于水溶液中铯的富集。

二、背景技术

重稀碱金属铯具有较强的化学活性和优异的光电性能，在电子工业、玻璃陶瓷、生物化学、医药等传统应用领域中应用广泛。开展水溶液铯富集具有重要的经济意义。另一方面，含铯的废水可能有辐射，危害水资源环境。立方体亚铁氰化铁(普鲁士蓝，PB)为面心格子结构，晶胞中含水分子；水合Cs⁺尺寸和其晶格笼尺寸相符，通过质子质解反应，可被选择性吸附在PB的亲水缺陷位置(X.Liu,etal.BioresourceTechnology,2014,160:142-149)，因而对铯具有良好的选择性吸附能力，是一种优良的吸附剂。为改善吸附性能，研究者制备了二氧化硅(T.Sangvanichetal.JournalofHazardousMaterials,2010,182:225-231)为载体的PB及其衍生物复合材料。由于PB类吸附剂为粉末状，实际使用难分离，为此，研究者发展了磁性Fe₃O₄载体核壳结构的PB复合材料(T.Sasaki.etal.ChemistryLetters,2012,41,1,32-34)。但含铯水溶液往往成分复杂，实际操作难以进行，易形成二次污染。

导电聚丙烯腈碳纤维和石墨烯是两种独特的碳载体材料。该碳纤维除吸附及洗脱率高、物理及化学稳定性好外，还便于操作和分离，但其表面惰性大，缺乏有化学活性的官能团。石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种微米级炭质材料，具有优良的光电及吸附性能。本发明结合相关材料的特点，设计合成了易于操作、分离的普鲁士蓝/石墨烯/碳纤维复合材料(CFs/GNs/PB)，该材料可用于水溶液中铯的富集。

三、发明内容

本发明旨在提供一种普鲁士蓝/石墨烯/碳纤维复合材料的制备方法，首先制备碳纤维/石墨烯复合载体，然后在其上沉积普鲁士蓝，简记为CFs/GNs/PB。本发明制备的CFs/GNs/PB复合材料对水溶液中的金属铯具有优良的选择性吸附能力，便于操作和分离。

本发明使用的氧化石墨烯的制备方法为常规方法，参考文献W.S.Hummers,etal.JournaloftheAmericanChemicalSociety,1958,80(6),1339-1339，具体准备过程如下：

(1)低温阶段：在烧瓶中加入1g鳞片石墨和0.75gNaNO₃，于冰水浴中缓慢加入75mL98wt％H₂SO₄溶液和4.5gKMnO₄，反应2h。

(2)中温阶段：将烧瓶从冰水浴中取出，在35℃下继续反应3～96h。

(3)高温阶段：将该烧瓶转入恒温水浴锅中，缓慢加入150mL5wt％H₂SO₄溶液，在98℃下反应2h。反应结束后将体系温度降至60℃，加入10mL30wt％H₂O₂，搅拌2小时，然后将混合物离心，移去上层清液，向下层固体物加入500mL3wt％H₂SO₄和0.5wt％H₂O₂的混合溶液，在140W下超声60min。重复处理反应后混合物3-5次后，向下层固体中加入3wt％HCl溶液500mL，在140W下超声60min，将离心后的固体置于去离子水中超声分散保存备用。

本发明CFs/GNs/PB复合材料的制备方法包括如下步骤：

1、碳纤维/石墨烯复合载体的制备(CFs/GNs)

①胺基化石墨烯的制备：将氧化石墨烯加入分散溶剂中，充分混合制成氧化石墨烯悬浮液，随后加入催化剂和二胺，20-120℃下反应1-5小时，过滤，无水乙醇洗涤，干燥后得到胺基化石墨烯，简记为GN。所述分散溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、无水乙醇、丙酮或乙腈。其中催化剂、氧化石墨烯悬浮液与二胺的质量比为1：100：50～3：500：500；1L氧化石墨烯悬浮液中含有氧化石墨烯0.1-2g；

②羧基化碳纤维的制备：以导电聚丙烯腈碳纤维为工作电极，将其浸入9.8g/L的硫酸溶液中，1.8V下阳极氧化30分钟，生成羧基化碳纤维，简记为CFs；