[发明专利]具有吸附性能的氮掺杂碳纳米材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了具有吸附性能的氮掺杂碳纳米材料的制备方法及其应用。本发明是采用石墨棒为阳极，采用电解的方法，在石墨棒表面生成一层氧化物薄膜，在硫酸及含氮电解质和电流的共同作用下，使生成的氧化物从石墨棒表面剥离，从而生成氮掺杂碳纳米颗粒，在中性溶液条件下通过过滤以及真空干燥等方法将其分离干燥，从而制备出具有吸附性能的氮掺杂纳米碳材料。本发明所制备的氮掺杂碳材料对于铜离子的吸附性能有显著效果，而且本发明使用的原料成本低廉，操作简单，环境友好，所使用的原料在自然界丰富等优点。

技术领域

本发明属于无机吸附材料制备工艺技术领域，涉及具有吸附性能的氮掺杂碳纳米材料的制备方法及其应用。

背景技术

随着社会经济的不断发展，水环境污染日益严重，成为最突出的环境问题之一。水污染从污染类型上分，主要包括重金属污染，有机物污染，无机物污染等。随着工农业的发展，向环境排放的重金属日趋增加，由此带来的重金属污染日趋严重。当大量的重金属离子进入水中，会通过络合作用，沉淀作用，氧化还原作用和吸附作用等进行迁移转化。由于重金属具有很强的毒害性，未经处理的含有重金属的污染水进入到生态系统中会造成了一系列的危害。

含铜废水是一种重金属废水中占有相当比例的废水。有色金属行业、有机合成工艺、燃料、橡胶、印染、电镀、电子材料漂洗一系列工业和商业领域都会产生大量具有铜离子废水。在生态环境中的铜离子很难被降解，生物只能进行间接的去降解，仅仅只发生重金属的迁移和形态转化，然后在通过食物链循环，最终在生物体内富集累积，从而影响生物体的正常生理代谢活动。医学研究证实，长时间的进食含铜食品或者是生活在有含铜其他的环境中，会引发慢性铜中毒。慢性铜中毒引发的神经系统疾病有：注意力不集中、易激动、记忆力减退，还会引起多发性神经炎、神经衰弱综合症，出现弥漫性慢波节律一系列反应的表现，对人体健康造成极大的危害。

到目前为止，用于去除水体中重金属的方法有离子交换法，膜过滤法，混凝沉淀法和吸附法。其中吸附法具有安全和低成本的特点，而且该方法不产生有害副产物，能有效地去除各种水体中的污染物。

发明内容

本发明的一个目的在于用实验手段在碳材料上负载含N基团，实现其对水体中的金属Cu²⁺离子的选择性吸附，提供一种对金属离子具有吸附性能的功能化碳纳米材料的制备方法。

本发明是采用石墨棒为阳极，采用电解的方法，在石墨棒表面生成一层氧化物薄膜，在硫酸及含氮电解质和电流的共同作用下，使生成的氧化物从石墨棒表面剥离，从而生成氮掺杂碳纳米颗粒，在中性溶液条件下通过过滤以及真空干燥等方法将其分离干燥，从而制备出具有吸附性能的氮掺杂纳米碳材料。上述制备得到的具有吸附性能的氮掺杂碳纳米材料是以纳米碳作为基体，碳酰胺(尿素)中的含氮-NH₂基团通过共价键负载在纳米碳材料的表面；尿素中的含氮-NH₂基团与纳米碳材料的质量比为1：2-1:10。

该方法具体是：

步骤1)电解：将直流稳定电源阳极接石墨棒，阴极接石墨板，用试管夹将石墨棒和石墨板固定到放有250-1000mL电解液中。

在电解液中放入磁力搅拌子后，将其放在磁力搅拌器上，加入一定量的尿素并搅拌均匀后，接通电源，调节直流稳定电源，起始电压为5.0-8.0V。当石墨棒消耗至总长度1/5时，关掉电源及磁力搅拌器。

步骤2)过滤：将步骤1)所得溶液静置沉淀，倒去上清液后用蒸馏水漂洗，再次静置后，再次漂洗，经过反复的漂洗，用pH试纸测定溶液酸碱性直到其接近中性时，将中性溶液过滤，将滤渣移入蒸发皿内。

步骤3)干燥：将步骤2)所得滤渣放入真空干燥箱中，调节温度60-90℃，在真空条件下干燥5-8h后取出，即得到具有吸附性能的氮掺杂碳纳米材料。

更进一步说，所述的电解液体系优选硫酸溶液,且使碳材料具有功能化的介质为尿素。