[发明专利]一种矿物酸插层氧化石墨烯CO2

说明书

本发明公开了一种矿物酸插层氧化石墨烯CO₂吸附材料的制备方法。本发明方法以氧化石墨烯为前驱体，以不同浓度的矿物酸为客体分子对氧化石墨烯进行插层，制备了一系列具有CO₂吸附性能的矿物酸插层氧化石墨烯材料。该方法包括氧化石墨烯的制备、矿物酸插层氧化石墨烯材料的制备和矿物酸插层氧化石墨烯材料的结构和CO₂吸附性质表征步骤。本发明采用的矿物酸原料价格低廉，操作简单易行、易于合成、适于大批量生产，具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及氧化石墨烯插层材料的制备，具体涉及一种具有CO₂气体吸附性质的矿物酸插层氧化石墨烯材料的制备方法。

背景技术

过度的化石能源消耗所产生的二氧化碳(CO₂)是温室气体的主要成分，也是影响全球气候变暖的主要因素，人类社会越来越迫切希望大幅度减少CO₂等温室气体的排放。当前工业上常用的捕获方法是将CO₂通入胺类溶液，与胺类分子发生反应，洗涤CO₂。但是该方法毒性强、成本高、吸附/解吸速率低。相对而言，吸附分离，因具有较大的存储量、优良的气体吸放可逆性以及较低的能耗等优点越来越受关注。吸附分离的技术关键是选择合适的吸附剂材料。在各种吸附剂材料中，石墨烯因具有超轻的质量密度、超大的比表面积(2600m²g^-1)以及表面的化学易修饰性，显示了其在气体捕获方面的巨大潜力。

石墨烯片层间存在很强的分子间作用力，导致片层很容易堆叠在一起而难以分散开，形成层间距仅有 0.334nm的石墨结构。石墨烯片层堆叠的特性大大降低了材料的比表面积，限制了界面的高效利用。为了获得理想的石墨烯气体吸附材料，可在石墨烯片层间插入客体分子，以扩展石墨烯层间距，提高材料的比表面积。例如，三联吡啶插层的石墨烯-三联吡啶复合物[Carbon,2014,66:592–598]和脂肪族二胺 (NH₂(CH₂)_nNH₂,n＝4,8,12)插层的多层氧化石墨烯[Nanoscale Research Letters,2015,10:318]。但是，目前制备的石墨烯插层材料热稳定差、材料比表面积仍无法达到理论值(2600m²g^-1)，气体吸附量小，并且用于石墨烯插层的客体分子(柱子)价格昂贵，不利于商业化大规模应用。

石墨烯插层材料的CO₂气体吸附性能与插入客体分子的性质有密切关系。一方面，插入的客体分子越多，越可以有效地扩充层间距，同时增加体系的稳定性。但是，当插入分子过多时，会减少体系的孔隙率和比表面积，降低气体吸附能力。另一方面，由于CO₂具有较强的极化率(29.11×10²⁵cm³)和四偶极矩 (4.30×10²⁶esu cm)，因此插入强极性客体分子，可以增加CO₂分子的吸附能力。

硫酸、磷酸等矿物酸具有分子结构较大、极性强并且价格低廉等优点，因此，将硫酸、磷酸等矿物酸作为客体分子对氧化石墨烯进行插层制备的氧化石墨烯插层材料会具有强CO₂吸附能力并且成本低廉，有利于商业化应用。目前国际上还没有使用矿物酸对氧化石墨烯进行插层制备氧化石墨烯插层材料的研究案例。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种矿物酸插层氧化石墨烯CO₂吸附材料的制备方法。该方法是以廉价的矿物酸作为客体分子与氧化石墨烯反应制备氧化石墨插层材料，并表征材料的结构和CO₂气体吸附性能。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种矿物酸插层氧化石墨烯CO₂吸附材料的制备方法，包括如下步骤：