[发明专利]氧化石墨烯复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于复合材料技术领域。一种氧化石墨烯复合材料及其制备方法与应用，由富含氧/氮的有机分子1,3‑二[三（羟甲基）甲氨基]丙烷与氧化石墨烯进行有效地共价偶联，制备了一种结构稳定、选择性好的的氧化石墨烯复合材料。通过氧化石墨烯与1,3‑二[三（羟甲基）甲氨基]丙烷在催化条件下进行酯化及酰胺化反应，得到一种稳定化学键合的复合产物。一定程度的键合，使氧化石墨烯复合材料对各种物质由于吸附机理的不同表现出不同的吸附能力，并显示出对有机物的吸附选择性和对某些金属离子的吸附排斥性，可实现水溶液中有机物质的高效吸附以及对无机和有机污染物混合物的有效分离；并且该复合材料具有良好的重复利用性能。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

稀土元素在许多先进的技术和能源应用中必不可少，在过去的二十年中，稀土元素的全球需求量激增。由于稀土元素地理上分布不均，因此稀土的回收是补充采矿以维持可持续性供应的一种方法。但是，工业上从矿物矿石中分离出来的稀土元素需要进一步纯化，而水环境中含有大量其他元素及污染物，例如铅、铜及有机污染物等，这些通常会干扰稀土元素的富集、回收和检测。同时，大多数有机化合物，如苯酚及其衍生物，广泛用于制药、纺织和木材等行业，重金属离子和染料也是环境污染物中常见的元素。研究表明，在工业废水中检测到许多有毒金属离子，例如锌、铜、镍、汞、镉、铅和铬。此外，由于染料的高生物毒性、诱变和致癌作用，它们未经适当处理就释放到环境中会造成严重的问题，给人类、水生生物和野生生物带来危害。为了解决这些问题并最大程度地减少其危害需通过水处理，现有的水处理方法包括化学过程、膜分离、有机溶剂萃取、离子交换法、沉降法和吸附。

吸附法是水处理的重要方法之一，具有应用范围广、处理效果好、吸附剂可重复使用等特性，其关键是应用适宜的吸附剂。之前的常用吸附剂表面活性位点密度小，非均相体系中的吸附活化能小，慢反应动力学及非均衡吸附、吸附剂表面传质速率慢，近年来，各种吸附剂如粘土矿物材料，碳纳米管、二氧化硅、纤维素-氧化石墨烯气凝胶、壳聚糖、二氧化钛和β-环糊精等已广泛用于吸附分离各种稀土、重金属和有机物质。

氧化石墨烯具有丰富含氧官能团、芳族官能团，可以通过π-π堆积相互作用，路易斯酸碱作用，氢键、静电引力等分子间作用与各种粒子发生相互作用。并且氧化石墨烯具有较高机械强度、较大比表面积、较高化学稳定性、热稳定性等优点，氧化石墨烯材料已被广泛应用于水溶液中无机金属离子及有机污染物的吸附分离。以氧化石墨烯为基底材料，对其用新型分子进行化学修饰，所得功能化氧化石墨烯在吸附分离领域具有较为广阔的应用前景。

目前研究者们在水处理中致力于物质的高效富集、选择性分离以及材料的重复性利用，并且较多通过简单的水热自组装方法合成了三维复合材料，但是水热物理组装的三维材料疏松多孔，选择性小，且易脱落，在吸附分离过程中也存在操作复杂，分离效果不佳，吸附能力较低的缺点。所以，现如今探索出一种结构稳定、选择性分离性能好、吸附能力好的吸附剂迫在眉睫。

发明内容

本发明提供了一种氧化石墨烯复合材料及其制备方法与应用，其目的是为了提供一种结构稳定，选择性好，分离性能好，吸附能力强的复合材料及其制备方法，实现水溶液中无机离子和有机污染物的有效吸附分离。

为了达到上述目的，本发明提供了一种氧化石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1：以鳞片石墨为原料制备氧化石墨烯，经冷冻干燥得到干燥的氧化石墨烯；

S2：将S1得到的氧化石墨烯用无水N,N-二甲基甲酰胺溶解，得氧化石墨烯溶液，然后和1,3-二[三（羟甲基）甲氨基]丙烷混合均匀，在无水催化剂条件下进行酯化及酰胺化反应，再经干燥得到复合材料。

优选地，所述S1中，以鳞片石墨为原料，采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯。