[发明专利]一种氢取代石墨炔纳米粉体材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氢取代石墨炔纳米粉体材料及其制备方法和应用，包括以下步骤：将三乙炔基苯溶液加入到含有铜箔的混合物A中，在90～110℃反应生成固体粉末，固体粉末经过洗涤后煅烧，得到氢取代石墨炔纳米粉体材料。所制备的氢取代石墨炔材料为纳米粉体材料。不仅具有大共轭π键、超大的孔洞结构和高活性的吸附金属离子的二炔键结构，而且纳米粉末状形貌与液体介质有充分的接触面积，能够有效地捕获水介质中的重金属，特殊的孔洞结构可提高离子的扩散进而提高重金属吸附量，可作为重金属的吸附剂，铅离子的最大吸附量为2390mg·gsupgt;‑1/supgt;。

技术领域

本发明属于纳米吸附材料领域，具体涉及一种氢取代石墨炔纳米粉体材料及其制备方法和应用。

背景技术

铅(Pb)至今仍是世界上最常见的危害环境以及人类健康的一种重金属污染物，由于其不可降解性和在生物体中的逐渐生物积累，被认为是高血压、心脏病、中风和慢性肾脏疾病的危险因素。目前，处理重金属铅离子的方法主要包括化学沉淀法、电解法、膜分离法、氧化还原法、离子交换法、吸附法等。其中吸附法是水介质中重金属处理的主要方式之一。如CN107362772A公开了一种去除水体中重金属铅的生物炭制备方法，利用易得的毛竹作为原材料，经过热解制备出对水环境中重金属吸附容量达到65.4mg/g的碳材料。如CN111013535A公开了一种铅吸附剂的制备方法，首先将Fe₃O₄负载到氧化石墨烯上，得到磁性氧化石墨烯；再将碱式磷酸钙负载在磁性氧化石墨烯上，最终得到铅吸附磁性氧化石墨烯复合材料。该复合材料表现出232.8mg/g的吸附容量。如CN108993446A公开了一种聚多巴胺改性碳纳米管的材料制备并用于快速去除废水中的重金属铅离子。吸附剂对铅离子的最大饱和吸附量为98.4mg/g。通过上述所报道了解到，碳基材料在重金属铅离子吸附领域应用广泛，具有操作简单、可修饰性强、成本低、可再生的优点。然而，大多数碳基吸附剂都面临着吸附容量低、需要进一步物理化学修饰等被限制在工业上大规模使用。因此，开发一种具有高吸附量的碳基吸附剂对于保护环境和维护人类健康等领域来说具有重大的意义。

石墨炔(Graphdiyne)是一种由苯环与1,3-二乙炔键共轭连接而成的平面网络结构的全碳材料。石墨炔独特的乙炔键和三角孔结构不仅可以限制金属原子，而且碳碳三键的富电子结构与金属原子之间有很强的相互作用。这些特点使石墨炔具有良好的铅离子去除性能。如石墨炔首次报道用于被作为吸附剂去除水溶液中铅离子，最大吸附量为430mg/g，显示出优异的铅离子去除性能(文献：Liu R,Zhou J,Gao X,et al.Graphdiyne Filterfor Decontaminating Lead-Ion-Polluted Water[J].Advanced Electronic Materials,2017:1700122.)。然而，石墨炔最稳定的ABC三层堆积和较小的三角孔结构严重限制了铅离子在层间的扩散和传输，使其表现出并不高的吸附容量，导致在重金属吸附方面仍面临许多障碍。

文献：He J,Wang N,Cui Z,et al.Hydrogen substituted graphdiyne ascarbon-rich flexible electrode for lithium and sodium ion batteries[J].NatureCommunications,2017,8(1):1172，首次制备出氢取代石墨炔薄膜材料作为锂离子和钠离子电池的独立柔性电极，分别表现出1050mAh·g^-1和650mAh·g^-1的可逆容量；氢取代石墨炔由丁二炔键和苯环组成的扩展π共轭碳材料，与石墨炔的孔隙直径相比，氢取代石墨炔的孔径扩大到氢取代石墨炔材料提供了一个有利的环境使金属离子在其内部的快速扩散。由于氢取代石墨炔的独特的结构，它提供了一个有利的环境使金属离子在其内部的快速扩散。目前已在储能，太阳能电池，等领域得到重点研究。然而，目前制备方法得到的薄膜结构严重限制了其在吸附领域的应用，尤其是作为吸附剂将其用作水介质中铅离子的去除却未见报道。因此，在本领域期望得到一种在液体介质中分散性好，铅离子去除能力强，能够起到净化水资源作用的氢取代石墨炔纳米材料。