【摘要】：石墨烯類材料所具有的獨特的物理、化學(xué)性質(zhì),使其在傳感器和吸附劑方面的應(yīng)用得到了人們的廣泛關(guān)注。石墨烯類材料的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng),可以大大提高其吸附效率,進而提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度,所以石墨烯類材料是對污染物進行實時監(jiān)測的理想傳感器材料。對硝基苯酚(p-NP)作為一種高毒性的環(huán)境污染物,受到越來越多的研究人員的關(guān)注。已有研究人員設(shè)計出基于石墨烯的電化學(xué)傳感器及固相微萃取涂層用來檢測p-NP,但是關(guān)于p-NP分子與石墨烯之間的相互作用機理并不十分清晰。因此較系統(tǒng)的探究p-NP分子在石墨烯類材料表面的吸附行為以及它們之間的相互作用機理,可以為基于石墨烯的電化學(xué)傳感器及固相微萃取涂層提供理論支持。本文通過吸附實驗與量子化學(xué)計算的方法相結(jié)合的方式,采用實驗觀察,計算吸附能量、電子密度分析、布居分析、靜電勢分布等,來研究p-NP分子在完美石墨烯、本征缺陷石墨烯和改性石墨烯表面的吸附性能以及它們之間的相互作用機理。主要研究的內(nèi)容分以下三個部分:1、采用改良Hummers法制備氧化石墨烯(GO),再以水合肼作為還原劑,制備了還原氧化石墨烯(RGO),并研究了 GO和RGO對對硝基苯酚的吸附行為。使用TEM、Raman、XPS、FT-IR等手段對材料進行了系統(tǒng)的表征分析,表征結(jié)果說明還原過程有效地減少了含氧基團含量,碳原子由sp3雜化恢復(fù)成sp2雜化。吸附實驗結(jié)果表明,兩種材料對p-NP吸附都受pH條件影響。在293 K,pH 6.0時,GO對p-NP的吸附大約在50 min達到吸附平衡,吸附過程遵循二級動力學(xué)模型,吸附等溫線符合Freundlich模型,最大吸附容量為35.10 mg/g;RGO對p-NP的吸附仍然在50 min左右達到吸附平衡,吸附過程遵循二級動力學(xué)模型,吸附等溫線符合Langmuir模型,最大吸附容量為29.94 mg/g。通過紅外光譜的分析,證明了GO與p-NP之間的作用力主要是氫鍵作用,而RGO與p-NP之間的作用力主要為π-π相互作用。2、利用DFT方法模擬了 p-NP分子在完美石墨烯和本征缺陷石墨烯表面的吸附。模擬結(jié)果表明,p-NP分子在完美石墨烯表面與Stone-Wales(SW)缺陷石墨烯表面的吸附為物理吸附,吸附作用力以π-π相互作用為主。而p-NP分子在單空位缺陷石墨烯表面的吸附為化學(xué)吸附,吸附作用力以新形成的C…H…O化學(xué)鍵為主。兩種缺陷的引入都有助于增強p-NP分子在石墨烯材料表面的吸附,而且單空位缺陷石墨烯在催化p-NP降解中有潛在的應(yīng)用價值。3、利用DFT方法模擬了 p-NP分子在改性石墨烯表面的吸附。模擬結(jié)果表明,p-NP分子在含氧官能團改性石墨烯表面的吸附作用力主要為氫鍵作用,羧基、平面羥基、環(huán)氧基的引入增大了 p-NP分子的吸附能,促進了 p-NP分子的吸附,而邊緣的羥基對吸附?jīng)]有明顯的增強作用;而p-NP分子在硼氮摻雜石墨烯表面的吸附作用力以靜電作用與π-π相互作用為主,B、N原子的引入增大了 p-NP分子的吸附能,促進了 p-NP分子的吸附。
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【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O647.3

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 黃海平;朱俊杰;;新型碳材料——石墨烯的制備及其在電化學(xué)中的應(yīng)用[J];分析化學(xué);2011年07期

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本文編號：2412692