氫氧化銅／石墨烯復(fù)合材料的制備與表征

彭林峰，汪洋，柳景亞，李亮

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

氫氧化銅／石墨烯復(fù)合材料的制備與表征

彭林峰，汪洋，柳景亞，李亮*

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

為了減弱石墨烯納米片的聚集并得到高性能的石墨烯基復(fù)合材料，先利用微波將氧化石墨烯還原為石墨烯，再與氫氧化銅進(jìn)行復(fù)合得到氫氧化銅／石墨烯復(fù)合材料.用X射線衍射和掃描電子顯微鏡表征了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與微觀形貌.結(jié)果表明氫氧化銅納米顆粒均勻地分布在石墨烯表面，有效減弱了石墨烯納米片的堆積聚集.并對(duì)氫氧化銅／石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行了染料吸附測(cè)試，復(fù)合材料對(duì)于甲基橙的去除率達(dá)到了91.77%.與單獨(dú)的氫氧化銅相比，復(fù)合材料中石墨烯與氫氧化銅之間的相互作用使得復(fù)合材料具有高的吸附能力；與單獨(dú)的石墨烯相比，復(fù)合材料中高密度的氫氧化銅使得復(fù)合材料容易從廢水體系中分離回收，再次利用.這些特征使得氫氧化銅／石墨烯復(fù)合材料能被有效用于廢水處理領(lǐng)域.

石墨烯；氫氧化銅；化學(xué)沉淀；吸附

0 引言

石墨烯是近年來(lái)被廣泛研究的一類(lèi)具有二維納米結(jié)構(gòu)的新型碳材料.以天然石墨為原料通過(guò)化學(xué)氧化還原法可大量制備價(jià)格低廉且性能優(yōu)良的石墨烯材料.石墨烯極大的比表面積使得其可用來(lái)吸附污水中的顆粒、有機(jī)物及其他污染物［1－2］.通過(guò)化學(xué)方法制備的石墨烯表面含有氧元素，石墨烯二維平面結(jié)構(gòu)可容納足夠多的無(wú)機(jī)納米顆粒，這些含氧基團(tuán)可與無(wú)極納米顆粒相互作用，有利于無(wú)機(jī)納米顆粒的生長(zhǎng).而且在其表面分布的納米顆粒，還能有效阻止石墨烯納米片的團(tuán)聚.這為制備新型石墨烯基納米顆粒復(fù)合材料提供了新的途徑［3］.

在本文中，先用微波輔助還原法將氧化石墨烯（GO）制備成為石墨烯（G），再用化學(xué)沉淀反應(yīng)將氫氧化銅（Cu（OH）2）與石墨烯復(fù)合，得到氫氧化銅／石墨烯［Cu（OH）2／G］復(fù)合材料，利用多種手段對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并研究了其對(duì)于廢水中有機(jī)染料污染物的吸附性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

氯化銅，氫氧化鈉，水合肼，氨水，甲基橙均為化學(xué)純級(jí)，氧化石墨烯按照之前文獻(xiàn)制備［4］.

1.2 Cu（OH）2/G復(fù)合材料的制備

用0．5 mol/L的稀氨水將50 mL質(zhì)量濃度為1 mg/mL的GO水溶液的pH值調(diào)至11，再加入70 μL質(zhì)水合肼后，置于微波輔助反應(yīng)器中反應(yīng)2．5 min，將所得石墨烯抽濾并用大量蒸餾水洗滌后50℃真空干燥備用.

將上面合成的石墨烯0．4 g，超聲分散在50 mL蒸餾水中，加入0．5 mol/L的NaOH溶液80 mL后攪拌30 min.之后逐滴加入一定量的配制好的0．2 mol/L的CuCl2溶液60 mL攪拌24 h.將所得產(chǎn)物過(guò)濾并用蒸餾水洗滌.30℃真空干燥.

1.3 表征與測(cè)試

掃描電子顯微鏡（SEM）測(cè)試采用JSM－5510LV（JEOL Co．）型掃描電子顯微鏡；X射線衍射（XRD）測(cè)試采用Shimadzu XD－5A型X射線衍射儀；紫外分光光度計(jì)檢測(cè)廢水中甲基橙（MO）的濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM照片分析

圖1給出了G與Cu（OH）2／rGO復(fù)合材料的SEM照片.從G的SEM照片中可以看出，G表面較為平整光滑，而且G納米片存在一定程度的聚集情況.而對(duì)于Cu（OH）2／rGO復(fù)合材料，石墨烯納米片較難觀察到，更容易看到顆粒狀的Cu（OH）2.這些Cu（OH）2納米顆粒的尺寸約在150～400 nm這個(gè)范圍.這表明在化學(xué)沉淀過(guò)程中，Cu（OH）2在石墨烯納米片表面成核生長(zhǎng)，逐漸將石墨烯納米片覆蓋，使得石墨烯納米片不易被觀察到.

2.2 XRD圖譜分析

圖1 G（a）與Cu（OH）2/G復(fù)合材料（b）的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of G（a）and Cu（OH）2/G composite（b）

Cu（OH）2／G復(fù)合材料的的XRD圖如圖2所示.32.4°、35.5°及38.7°處的衍射峰分別為Cu（OH）2的002、111與130晶面的衍射峰，與JCPDS（13-0420）標(biāo)準(zhǔn)的XRD數(shù)據(jù)相符［4］.在11°附近沒(méi)有觀察到GO的衍射峰［5］，說(shuō)明微波輔助還原法已經(jīng)將氧化石墨烯還原成為石墨烯［6］.結(jié)合SEM結(jié)果，表明在我們的實(shí)驗(yàn)中，成功制備了Cu（OH）2/G復(fù)合材料.

圖2 Cu（OH）2／G復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of Cu（OH）2／G composite

2.3 吸附能力分析

采用質(zhì)量濃度為10 mg/L的甲基橙溶液模擬有機(jī)染料廢水，研究了Cu（OH）2/G復(fù)合材料吸附染料的性能.從圖3中可以看出，Cu（OH）2/G復(fù)合材料用量越多，它對(duì)于甲基橙的吸附率越高.在溫度為293 K，復(fù)合材料用量為1.5 mg，吸附時(shí)間為360 min的條件下，Cu（OH）2/G復(fù)合材料對(duì)甲基橙的去除率達(dá)到91.77%.對(duì)于不同用量的復(fù)合材料用于吸附時(shí)，值得注意的是甲基橙去除率最大的時(shí)間點(diǎn)往往不是8 h，這個(gè)飽和吸附的時(shí)間點(diǎn)一般出現(xiàn)在4～6 h之間.當(dāng)時(shí)間再延長(zhǎng)的情況下可能由于超聲震蕩的能量過(guò)高使分子運(yùn)動(dòng)過(guò)于劇烈使原本被吸附在Cu（OH）2/G復(fù)合材料中的甲基橙分子脫出，從而使去除率下降.

圖3 Cu（OH）2／rGO復(fù)合材料在293 K下對(duì)甲基橙的脫除率Fig.3 The removal of methyl orange by Cu（OH）2／G composite at 292 K

圖4 Cu（OH）2/G復(fù)合材料在不同溫度下對(duì)甲基橙的吸附能力Fig.4 The removal ability of methyl orange by Cu（OH）2/G composite at different temperatures

進(jìn)一步研究了吸附溫度對(duì)于復(fù)合材料吸附性能的影響，如圖4所示.隨著吸附溫度的提高，Cu（OH）2/G復(fù)合材料對(duì)于甲基橙的飽和吸附量逐漸下降，從293 K時(shí)的61.18 mg/g降低到333 K時(shí)的51.92 mg/g.這表明Cu（OH）2/G復(fù)合材料對(duì)于甲基橙的吸附機(jī)理就是物理吸附，其中不存在化學(xué)相互作用.溫度升高使得甲基橙分子運(yùn)動(dòng)加劇，已經(jīng)被吸附在復(fù)合材料表面的部分分子傾向于從復(fù)合材料中脫出，造成吸附能力下降.

圖5給出了石墨烯，氫氧化銅與Cu（OH）2／G復(fù)合材料三者對(duì)于甲基橙的吸附情況.選用1．5 mg吸附材料，在293 K下進(jìn)行吸附測(cè)試.可以看出純氫氧化銅對(duì)于甲基橙基本上沒(méi)有吸附能力，表明單獨(dú)的氫氧化銅并不是用量移除甲基橙的合適吸附材料.石墨烯對(duì)于甲基橙的吸附能力比氫氧化銅的好，但是弱于Cu（OH）2/G復(fù)合材料.這表明由于石墨烯納米片上氫氧化銅的存在，有效減弱了石墨烯納米片的聚集，而且氫氧化銅的高密度使得復(fù)合材料易從廢水體系中分離回收，再次利用.

圖5 Cu（OH）2／G復(fù)合材料，G與Cu（OH）2對(duì)甲基橙的吸附能力Fig.5 The removal of methyl orange by Cu（OH）2／G composite，G and Cu（OH）2

圖6 Cu（OH）2／G復(fù)合材料對(duì)于甲基橙的反復(fù)吸附能力Fig.6 Adsorption cycles of Cu（OH）2／G composite for the removal of Cr（Ⅵ）

圖6就是Cu（OH）2/G復(fù)合材料對(duì)于甲基橙的反復(fù)吸附情況.將吸附后的Cu（OH）2/G復(fù)合材料離心分離出，并在乙醇中攪拌2 h，除去吸附在復(fù)合材料中的甲基橙［7］.干燥后再取1.5mg的Cu（OH）2/G復(fù)合材料反復(fù)用于吸附實(shí)驗(yàn).從圖6中可以看出經(jīng)過(guò)5次循環(huán)吸附后，Cu（OH）2/G復(fù)合材料對(duì)于甲基橙的吸附率仍有85.68%，這表明復(fù)合材料容易從廢水體系中分離回收，反復(fù)利用.

3 結(jié)語(yǔ)

成功制備了Cu（OH）2/G復(fù)合材料，用掃描電鏡與X射線衍射對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征.由于石墨烯納米片上氫氧化銅的存在，有效減弱了石墨烯納米片的聚集.氫氧化銅與石墨烯兩者之間的相互作用，使得Cu（OH）2/G復(fù)合材料具有良好的染料吸附性能，而且氫氧化銅的高密度使得復(fù)合材料易從廢水體系中分離回收，再次利用.

致謝

本研究得到武漢工程大學(xué)第六屆研究生教育創(chuàng)新基金與湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目的資助，特表感謝！

［1］LIU H，WANG H，ZHANG X．Facile fabrication of freestanding ultrathin reduced graphene oxide membranesforwaterpurification［J］．Adv Mater，2015，27：249-254．

［2］ANDJELKOVIC I，TRAN D N H，KABIRI S，et al．Graphene aerogels decorated with α feooh nanoparticles for efficient adsorption of arsenic from contaminated waters［J］．ACS Appl Mater Interfaces，2015，7：9758-9766．

［3］LI L，F(xiàn)AN L，DUAN H，et al．Magnetically separable functionalized graphene oxide decorated with magnetic cyclodextrin as an excellent adsorbent for dye removal［J］．RSC Adv，2014，4：37114-37121．

［4］SONG X Y，SUN S X，ZHANG W M，et al．Synthesis of Cu（OH）2nanowires at aqueous－organic interfaces［J］．J Phys Chem B，2004，108：5200-5205．

［5］LI L Y，XIA K Q，LI L，et al．Fabrication and characterization of free－standing polypyrrole/graphene oxide nanocomposite paper［J］．J Nanopart Res，2012，14：908-915．

［6］LIU S，TIAN J，WANG L，et al．Microwave－assisted rapid synthesis of Ag nanoparticles／graphene nanosheet composites and their application for hydrogen peroxidedetection［J］．J Nanopart Res，2011：13，4539-4548．

［7］LI B，CAO H，YIN G．Mg（OH）2reduced graphene oxide composite for removal of dyes from water［J］．J Mater Chem，2011：21，13765－13768．

Preparation and characterization of copper hydroxide/graphene composite

PENG Lin－feng，WANG Yang，LIU Jing－ya，LI Liang
School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institude of Technology，Wuhan 430074，China

To reduce the aggregation of graphene nanosheets and obtain graphene－based composites with high performance，the composites of graphene and copper hydroxide were successfully prepared via the microwave－assisted reduction of graphene oxide and the subsequent chemical deposition of copper hydroxide on the graphene nanosheets．Scanning electron microscope and X－ray diffraction were carried out to characterize the copper hydroxide/graphene composite．The results indicate that the aggregation of graphene nanosheets is reduced due to the uniform distribution of the copper hydroxide/graphene nanoparticles on the graphene nanosheets．Moreover，the corresponding adsorption performance of methyl orange from waste water is also investigated．For the copper hydroxide/graphene composite，the removal efficiency is 91．77%．Compared with copper hydroxide，significantly improved adsorption activity of the composite is obtained due to the interaction between graphene nanosheets and the copper hydroxide/graphene．Compared with graphene，the composite can be easily separated from solution after adsorption．After simply washing with ethanol，the composite can be reused without any obvious loss of adsorption capability．These features make the copper hydroxide/ graphene composite an excellent candidate in the field of waste water treatment．

grapheme；copper hydroxide；chemical deposition；adsorption

O633

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.08.008

1674－2869（2015）08－0041－04

本文編輯：龔曉寧

2015－06－01

武漢工程大學(xué)第六屆研究生教育創(chuàng)新基金（CX2014059）；湖北省高等學(xué)校2014年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410490005）

彭林峰（1989－），男，湖北天門(mén)人，碩士研究生．研究方向：功能復(fù)合材料．*通信聯(lián)系人