[发明专利]一种纳米FeO(OH)复合气凝胶、其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种纳米FeO(OH)复合气凝胶、其制备方法和用途。在低温加热条件下通过氧化石墨烯还原自组装形成纳米FeO(OH)颗粒均匀分散的石墨烯气凝胶，该气凝胶不仅具有密度轻，机械性能优和结构稳定的特点，同时具备优良的可见光Fenton降解酚类有机物的催化活性。所述纳米FeO(OH)负载石墨烯气凝胶呈圆柱体结构，其中纳米FeO(OH)颗粒尺寸为0.5～6 nm，在石墨烯气凝胶片层上均匀分散。与单纯的石墨烯气凝胶相比，纳米FeO(OH)负载石墨烯气凝胶具有更丰富、均匀的内部孔隙网络，网络孔径为2～10微米，为酚类有机物的吸附降解提供更多的反应活性位点和电子迁移通道，降解效率更高。根据上述性质，该纳米FeO(OH)负载石墨烯气凝胶可用于环境有机污染水体处理，饮用水深度净化处理等领域。

技术领域

本发明属于材料制备领域，尤其涉及纳米FeO(OH)负载石墨烯气凝胶制备方法及其应用。

背景技术

石墨烯是由sp²杂化碳原子组成的二维片层纳米材料。石墨烯具有的热导率高，理论比表面积大，吸附量高，电导率高，透光性好以及电子迁移速度快等优点而被广泛应用于环境净化，能源存储，气体传感器和电子元件等领域。由于其独特的光电特性，石墨烯被认为是一种很有前景的催化剂载体。但是二维石墨烯片层之间具有强的π-π作用，容易出现片层的堆垛团聚，导致二维石墨烯纳米片的比表面积比其理论值(2630m²/g)要低很多，因此，石墨烯片层上很多催化活性位点会被掩盖，导致催化活性降低。而二维石墨烯纳米片可以通过化学还原、热还原、模板法、原位自组装和化学交联等方法制备得到三维石墨烯气凝胶，从而有效缓解二维石墨烯团聚堆垛的问题，提供更多的化学反应位点。三维石墨烯气凝胶具有丰富的内部网络结构，不仅具有高吸附能力和机械稳定性，还能提供更多的内部通道供反应中电子的传递，此外它还可以分散催化剂，减少催化剂的团聚以提高催化剂的活性。与二维石墨烯纳米片相比，三维石墨烯气凝胶具有更高的表面积，更活跃的反应位点，以及更多相互连接的孔隙。此外，在三维石墨烯中，不存在相互作用的接触电阻，可通过相互连通的导电石墨烯网络来促进电子传输。通过简单的自组装过程获得的三维石墨烯气凝胶，可以应用于环境净化、能量转换、气体传感器和电子设备。所以，研究并开发新型的石墨烯气凝胶催化剂对于石墨烯材料的器件化应用具有十分重要的意义。

在高级氧化技术中，芬顿反应作为废水主要处理技术之一，引起了人们广泛的关注。传统的均相芬顿反应需要在严格的酸性条件下进行，反应过程中会不断产生氢氧化铁沉淀物，因此，需要持续不断的向反应中添加所需的Fe³⁺和双氧水，此外，还存在难以回收利用的技术问题，这些都限制了均相芬顿技术的实际应用。因此，人们逐渐选用粘土矿物、分子筛、介孔二氧化硅、活性炭等作为固定铁或氧化铁的载体形成类芬顿催化剂。虽然类芬顿催化剂可以通过离心或者过滤的方法从溶液中分离出来，但经过多次循环后，大多数含铁催化剂都会出现氧化铁组分浸出失效的问题，主要是因为氧化铁与载体之间的作用力弱导致的。此外，氧化铁在合成过程中由于纳米颗粒的团聚作用，导致氧化铁的颗粒会达到几十纳米甚至几百纳米，且难以实现在催化载体上均匀分散，这些均会导致催化剂活性的降低。而石墨烯气凝胶可以实现分散催化剂，减少团聚，并提供更多的反应位点，是一种理想的催化剂载体。因此，制备氧化铁纳米颗粒高度分散且尺寸小的石墨烯气凝胶类芬顿催化剂对于类芬顿氧化技术的实际应用有着重要意义。