石墨烯气凝胶及其制备方法和应用

本发明涉及功能化石墨矿物材料制备领域，特别地，涉及一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、当前，核能作为一种高效、清洁和可持续的能源形式，受到全球范围内的广泛关注。然而，核燃料的生产、处理和处理过程中产生的核废料管理一直是一个重要的挑战。铀酰离子(uo22+)是核燃料循环过程中的重要传输物质之一，其放射性和化学毒性使其对环境和人类健康构成潜在威胁。

2、目前，已经开发出多种用于铀酰离子吸附和回收的材料，包括吸附剂、树脂和各种纳米材料。其中，石墨烯作为一种二维碳材料，由于其出色的导电性、高比表面积和化学稳定性，被广泛研究用于环境污染物的吸附和催化应用。然而，传统的二维石墨烯材料在大规模应用中存在一些限制，例如在溶液中的分散性、可用性和工艺可扩展性。

3、因此，需要开发一种新型的吸附材料，能够在高效吸附铀酰离子的同时，具备较好的可操作性和工艺可扩展性。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种高吸附铀酰离子的三维石墨烯气凝胶的制备方法，该方法通过特定的工艺步骤制备出具有高比表面积和出色吸附性能的三维石墨烯气凝胶。该气凝胶在吸附铀酰离子时表现出优异的吸附容量和选择性，具备广泛应用于核废料管理和核燃料循环的潜力。

2、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种工艺流程短、能耗低的制备一种高吸附铀酰离子的三维石墨烯气凝胶的方法。

3、本发明提供了石墨烯气凝胶的方法。所述方法包括以下步骤：

4、1)向可膨胀石墨与强氧化剂的酸性混合溶液中缓慢加入环氧官能团调控剂，并进行搅拌、洗涤、干燥后得到环氧型石墨氧化物。

5、步骤1)中的环氧官能团调控剂为电阻率不低于18mω·cm的纯净水或去离子水，酸性溶液为98％以上的优级纯h2so4。所述环氧型石墨氧化物中环氧基相对含量不低于10％。

6、步骤1)的具体过程为：在均匀搅拌15min后的可膨胀石墨与强氧化剂的酸性体系中，控制反应温度不超过10℃，以官能团调控剂与体系酸用量的体积比1:4～6，将官能团调控剂经蠕动泵自动滴加入混合体系，并搅拌均匀。

7、2)将步骤1)中的环氧型石墨氧化物与接枝改性单体溶液混合均匀，在常压开放体系中通过热处理后，得到三维石墨烯水凝胶。

8、步骤2)中的接枝改性剂为l-半胱氨酸和2,5-二氨基苯甲腈的混合物，其中l-半胱氨酸和2,5-二氨基苯甲腈的摩尔比为1:0.5～3；所述的三维石墨烯水凝胶结构中含有氨基和腈基。

9、步骤2)的具体过程为：将环氧型石墨氧化物和接枝改性剂按1:0.2～5的质量比混合，然后按照1:1.5～6g/l的比例加入超纯水中，在超声和磁力搅拌共同作用下持续分散2～8h后，在60～100℃的常压开放体系中静置3～24h后，得到三维石墨烯水凝胶。

10、3)将步骤2)中的石墨烯水凝胶浸渍在液体氧化剂中，洗涤、干燥后得到石墨烯气凝胶。

11、步骤3)中的液体氧化剂为nh2oh·hcl；所述的石墨烯气凝胶结构中含有偕胺肟基和氨基。

12、步骤3)具体过程为：按照1:0.5～4的质量比，将步骤2)中所述的三维石墨烯水凝胶浸渍于nh2oh·hcl溶液中，在50～80℃的常压开放体系中静置2～10h后，过滤、洗涤、冷干后在cf4的等离子气氛中，控制功率60-70w，经低温等离子体表面处理仪处理5min，获得三维石墨烯气凝胶。

13、本发明提供的接枝功能化方法是利用石墨氧化物中环氧基与l-半胱氨酸中的巯基具有良好的化学反应活性，在常压水浴加热条件下可发生亲核取代反应而将l-半胱氨酸接枝于环氧型石墨氧化物结构层上，而接枝上的l-半胱氨酸结构中的羧基和2,5-二氨基苯甲腈中的氨基具有良好的酰胺反应活性，在常压水浴加热条件下可进一步功能化接枝上2,5-二氨基苯甲腈。接枝上的l-半胱氨酸和2,5-二氨基苯甲腈的降低了石墨氧化物片层的堆叠，增强了气凝胶中的三维多孔结构，极大的提高了气凝胶比表面积。

14、此外，通过l-半胱氨酸和2,5-二氨基苯甲腈的接枝功能化有效的增加了石墨烯气凝胶结构中官能团种类和数量，从而有助于对放射性核素铀酰离子的吸附和分离。

15、本发明的优点在于，依据本方法制备的三维石墨烯气凝胶除具有一般气凝胶的优良导电性外，还具有石墨烯较大的比表面积，能耗低无污染，且该气凝胶形状可控，具有良好的机械性能，微观多孔结构，且表面同时具有羟基、羧基、氨基、磺酸基和偕胺肟基等对铀酰离子具有良好吸附和选择性的功能性基团，在放射性废水中铀酰离子的选择吸附与分离等方面具有较大的应用前景。

技术特征：

1.石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1)中的环氧官能团调控剂为电阻率不低于18mω·cm的纯净水，酸性溶液为98％以上的优级纯h2so4；所述环氧型石墨氧化物中环氧基相对含量不低于10％；

3.根据权利要求1所述的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2)中的接枝改性剂为l-半胱氨酸和2,5-二氨基苯甲腈的混合物，其中l-半胱氨酸和2,5-二氨基苯甲腈的摩尔比为1:0.5～3；所述的三维石墨烯水凝胶结构中含有氨基和腈基；

4.根据权利要求1所述的石墨烯气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤3)中的液体氧化剂为nh2oh·hcl；所述的石墨烯气凝胶结构中含有偕胺肟基和氨基；

5.石墨烯气凝胶，其特征在于，所述气凝胶通过权利要求1～4中任意一项所述的制备方法制得。

6.权利要求5所述的石墨烯气凝胶的应用，其特征在于，用于放射性废水中铀酰离子吸附的材料。

技术总结
本发明涉及一种石墨烯气凝胶及其制备方法和应用，首先，在强氧化性的酸性体系中将可膨胀石墨进行可控氧化制备环氧型石墨氧化物；将制备的环氧型石墨氧化物与L‑半胱氨酸和2,5‑二氨基苯甲腈有机功能单体进行溶胶化处理，通过热处理将其转变为具有三维结构的石墨烯水凝胶材料；利用盐酸羟胺对制备的三维石墨烯水凝胶进行氧化处理，将腈基转化为偕胺肟基；将具有偕胺肟基和氨基的石墨烯水凝胶材料进行干燥处理，得到用于放射性废水中铀酰离子吸附的石墨烯气凝胶。本发明的制备方法简单可行，所得石墨烯气凝胶具有高吸附性能和选择性，能够高效地从放射性废水中吸附和去除铀酰离子。

技术研发人员：刘波,唐旭,刘菊,陈惠
受保护的技术使用者：西南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17