[发明专利]一种磷烯/石墨烯三维气凝胶材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种磷烯/石墨烯三维气凝胶材料及其制备方法和应用，采用赫墨斯法制备石墨烯，使用矿化法制备黑磷，采用液相插层法制备磷烯，之后将一定量石墨烯和磷烯均匀分散于去离子水中，超声搅拌一段时间，最后冷冻干燥，磷烯与石墨烯通过形成C‑O‑P键和C‑P键自组装得到磷烯/石墨烯三维气凝胶材料，将磷烯应用于含铀放射性废水的处理中，磷烯/石墨烯三维气凝胶材料有效减小了环境对磷烯的降解，提高磷烯在吸附分离放射性废水中铀酰离子过程的稳定性，提升了材料整体的吸附铀容量，对铀的吸附具有极强的选择性，制备工艺简便可控，具有较高的实际应用价值。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，更具体的说是涉及一种磷烯/石墨烯三维气凝胶材料及其制备方法和应用。

背景技术

铀是一种放射性元素，是核电的主要燃料，因此确保其安全高效利用是目前的主要需求。在铀矿开采、核燃料加工和乏燃料处理与处置等核燃料循环过程中会产生大量的含铀放射性废水，其中含有的铀及²²⁶Ra、²²²Rn和²¹⁰Po等衰变子体兼有化学毒性和放射性毒性，如果在环境中大量累积，对人类的生存和环境保护的发展构成潜在的威胁，因此放射性污染治理是目前面临的最具挑战性的问题之一。无论是从含铀废水中回收铀以提高铀资源的利用率或是减小放射性废水对环境的危害，都需要对水溶液中的铀进行分离富集。相比于化学沉淀、离子交换、溶剂萃取、过滤和反向渗透等常用铀分离富集方法，吸附法具有材料来源广、成本低廉、选择性高、速率快和容量大等优点，因而成为了从环境中分离、富集铀的最有效和最常用的方法。

磷烯为单层或少层黑磷，是一种结构类似石墨烯的新型二维材料，其由六个P原子围成了一个环状的六边形结构，又由于SP³杂化的作用，P原子形成了具有褶皱的表面结构。磷烯是继石墨烯、过渡金属硫化物之后的又一种非常有应用前景的二维半导体材料，在晶体管、传感器、太阳能电池、电极电池等领域有着极大的应用前景。但其也存在一个致命问题，当磷烯暴露环境中，很容易发生氧化降解，即在光照条件下，环境中的O₂在磷烯表面形成氧负离子，在边缘或者缺陷部位聚集，接着与磷烯表面的P原子结合，最后在水分子的作用下使P-O脱离磷烯表面形成磷酸，由此造成磷烯表面P-P键断裂。断裂处的P易与氧结合形成P-O，P-O又易与其他P结合形成P-O-P，也易在水分子的作用下继续脱离磷烯表面，因此其稳定性极差。而磷酸基团中P-O和P＝O中的氧易于铀酰离子络合，磷酸基团常被修饰在各种固体基体的表面，用于吸附分离放射性废水中的铀酰离子。由此可见，磷烯表面具有丰富的P-O基团，对铀酰离子也具有很好的选择性吸附能力。

因此，如何提高磷烯在环境中的稳定性并将其应用于铀废水的处理是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种磷烯/石墨烯三维气凝胶材料及其制备方法和应用，采用石墨烯与磷烯复合，有效提升磷烯的环境稳定性，将其应用于铀的分离富集，具有较好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种磷烯/石墨烯三维气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将红磷、锡粉、碘化锡混合后装入安瓿瓶中，抽真空至压强小于0.05Pa后封管，加热安瓿瓶中的原料端至200℃，之后升温至600℃保温6h，然后降温至300℃后保温2天，最后降至室温，得黑色产物黑磷；

(2)称取所述步骤(1)制得的黑磷放入试管中，并向其中滴加N-甲基-2-吡咯烷酮，然后40kHz超声24h，控制超声温度≤30℃，离心得底部黑色固体，冷冻干燥得磷烯；

(3)将氧化石墨烯分散于去离子水中，使之行成石墨烯水溶液；将所述步骤(2)制得的磷烯分散于去离子水中，使之形成磷烯水溶液，将两者进行混合，搅拌3h后于30℃下40kHz超声3h，重复超声三次后冷冻干燥即得磷烯/石墨烯三维气凝胶材料。