[发明专利]一种磁性石墨烯/四氧化三铁/二氧化锰纳米复合材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种磁性石墨烯/四氧化三铁/二氧化锰纳米复合材料及其制备方法和应用，制备如下：(1)恒温水浴中将氧化石墨烯、聚乙二醇分散在纯净水中，超声形成均匀的悬浮液：(2)滴加FeCl₃和FeCl₂，无氧环境下持续反应4～6小时，然后加入氨水调pH至10.5～11.5，升高水浴温度至70～80℃，继续反应2～3小时，得混合液；(3)向所得混合液中加入MnSO₄溶液，然后加入KMnO₄和KOH，反应2～4小时，然后进行后处理即得。本发明以石墨烯片层为载体，依次在石墨烯片层上原位沉淀生长Fe₃O₄和MnO₂纳米粒子，阻止石墨烯的团聚；同时利用氧化石墨烯的片层结构作为Fe₃O₄和MnO₂纳米粒子固定载体，以阻止Fe₃O₄和MnO₂纳米粒子的团聚。本发明提供的纳米复合材料方法具有绿色环保、快速简便的特点。

技术领域

本发明属于纳米材料及环境科学技术领域，尤其涉及一种具有吸附和催化降解功能的磁性rGO/Fe₃O₄/MnO₂纳米复合材料及其应用。

背景技术

染料广泛应用于纺织、皮革、造纸、印刷和化妆品等行业，据统计我国染料的年产量约75万吨，居世界首位。染料在生产和使用过程中约有10～15％要释放到环境中，因染料污染导致的水体安全问题已引起广泛关注。通常染料分子具有复杂的芳香结构很稳定，在水环境中很难自然降解。目前，染料废水的处理方法主要有吸附法、膜分离法，和催化氧化降解等。吸附法是废水深度处理的重要技术，在众多的吸附剂中，活性炭已广泛应用染料废水处理中。但活性炭存在吸附量不大、活化温度高、孔分布过宽、机械性能差、不易再生和表面不容易修饰等缺点。碳纳米材料，因其具有高的比表面积和良好的化学稳定性，在废水中污染物的吸附中显示了巨大的潜力和诱人的应用前景。

石墨烯是一种新型二维纳米材料，比表面积大，理论计算达2630m²/g，具有超强的吸附能力。Ramesha等(Ramesha G K,Vijaya Kumara A,Muralidhara H B,Sampath S,Graphene and Graphene Oxide as Effective Adsorbents Toward Anionic andCationic Dyes，Journal of Colloid and Interface Science,2011,361,270-277)研究发现，石墨烯与有机染料之间可以产生非常强的络合反应，从而对有机染料有很强的吸附能力。但是由于石墨烯的纳米片层结构，在水体中较难分离、回收，易泄露到环境中引起健康和环境问题。此外，由于石墨烯片层之间存在范德华作用，在水体中易团聚，导致有效表面积减少，从而降低吸附能力。因此开发具有亲水性、易回收的石墨烯或石墨烯复合材料，是基于石墨烯的新型吸附功能材料的研究开发方向。

Wang等(Zhao Guixia,Jiang,Lang He,Yu dong,Li Jiaxing,Dong Huanli,WangXiangke,Hu Wenping,Sulfonated Graphene for Persistent Aromatic PollutantManagement,Advanced Materials,2011,23(34),3959-3963)对石墨烯表面进行磺酸基亲水功能化处理，不但可以提高石墨烯的分散性，而且可以提高石墨烯的吸附能力。研究结果显示，这种功能化石墨烯对萘和萘酚的吸附能力达到了每克2.4mmol，是目前吸附能力较高的材料。

磁性吸附材料既具有良好的吸附能力，又可通过外加磁场从水体分离，已经成为近年来环境净化的新一代材料。