[发明专利]石墨烯/纤维素/二氧化钛复合材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料合成领域，涉及石墨烯/介孔氧化物系列纳米复合材料的制备，特别涉及一种石墨烯/纤维素/二氧化钛纳米复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

随着染料生产和印染行业的发展，含染料的工业废水的排放量急剧增多。据调查，中国每年有1.6亿立方米的染料废水排放至自然环境中。染料废水属于极难处理的工业废水之一，因其成分复杂，危害性大而且潜在危险性高。染料废水的组分差异明显，有机含量高，色度大，并且大多是芳烃和杂环化合物。印染废水含有大量的有机污染物，排入水体将消耗溶解氧，破坏水生态平衡，危及鱼类和其他生物的生存。沉入水底的有机物会因厌氧分解而产生硫化氢等有害气体，使环境恶化。中国已将染料废水的治理列为环境保护工作的重点。

石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称。它是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构,具有较高的比表面积且性能优异、成本低廉、可加工性好。在其基底平面上含有羟基和环氧基等功能基团，在边缘含有羰基和羧基等功能基团。纤维素，是世界上最丰富、最自然的可再生生物质资源，广泛存在于各种形式的生物质，如树木、植物、被囊动物和细菌。纤维素已被证明是一种长链聚合物，具有高的生物降解能力和突出的高弹性和环保性。介孔二氧化钛是一种多孔材料，它具有巨大的比表面积，发达的孔道结构，因而在光电转换领域，光催化降解，废水处理等环境领域表现广泛的应用前景而备受瞩目。

目前研究的主要成果为：

化工学报，2012，63（8）:2655-2660，报道了羧甲基纤维素/蒙脱土纳米复合材料对刚果红染料的吸附及解吸性能，结果表明：吸附率略低，而且50min后吸附率仍保持在80%不变。

工业催化，2013，21（3）：79-74，报道了石墨烯-BiMoO₆可见光催化降解4BS染料，结果表明：吸附剂用量过多，且吸附时间长。

纺织学报，2011，32（4）：23-28，报道了二氧化钛/碳纤维多孔薄膜的制备及其催化性能，结果表明：吸附剂用量过多，多达5g/L,吸附时间长，而且吸附率不高。

发明内容

基于纤维素、二氧化钛及石墨烯都具有方便易得，环境友好等优点，本发明的目的在于公开了一种石墨烯/纤维素/二氧化钛复合材料的制备方法，并将其应用于工业废水中染料的吸附。

本发明先利用改进Hummers法制得氧化石墨，经超声得到氧化石墨烯，再将氧化石墨烯用硼氢化钠还原为石墨烯；最后将纤维素、二氧化钛、表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵和石墨烯混合均匀后制得石墨烯/纤维素/二氧化钛复合材料。

本发明所述的改进Hummers法制得氧化石墨，其制备步骤包括：

在烧杯中加入23mL浓H₂SO₄，于冰水浴中放置待温度降至0℃；依次缓慢加入0.5g硝酸钠，1g天然石墨粉和3g高锰酸钾，在低于20℃下反应1h，混合物呈墨绿色，将体系升温至35℃，继续搅拌2h；接着，升温至90℃，混合物变为棕色；用常压漏斗缓慢滴加46mL的去离子水，混合物由棕色变为亮黄色，然后在100℃油浴下反应2h；停止加热，再加入140mLH₂O和10mL30%H₂O₂，混合后离心分离，用5%的盐酸溶液洗涤，最终将离心后的产品置于60℃真空干燥箱烘24h，即得氧化石墨。

一种石墨烯/纤维素/二氧化钛纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

A、将氧化石墨加入去离子水中，超声分散0.5～5h，然后向超声剥离后的氧化石墨烯溶液加入硼氢化钠，在35～100℃反应0.5～6h，待反应结束，抽滤，用二次去离子水洗涤滤饼，收集所得黑色物质，在50^oC下真空干燥即得到石墨烯；其中，所述氧化石墨与去离子水的质量比为1:100～1000，优选1:500；氧化石墨与硼氢化钠质量比为1:2～15，优选1：10；超声分散优选２ｈ；反应温度优选95℃，反应时间优选4h；

B、将石墨烯加入去离子水中，超声分散0.5～5h；其中，所述石墨烯与去离子水的质量比为1:100～500，优选1:300；超声分散优选2h；