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摘 要

石墨烯是由碳六元环组成的呈周期蜂窝状点阵结构的新型二维碳纳米材料，具有比表面积大、电子迁移率高、力学性能好等优异特性，在电子学、生物医学、催化、储能和传感器等领域应用前景广阔。本文以氧化石墨为原料，尿素为氮源，通过冷冻干燥、水热法等一系列处理技术制备三维掺氮石墨烯，并利用电子显微镜扫描、比表面分析等技术表征其微观形貌。制备的三维掺氮石墨烯比表面积达226.7 m²/g，氮掺杂含量为6.17 at%。在此基础上，以制备的三维掺氮石墨烯为吸附剂，4-硝基酚为模型，研究其对水体中硝基酚的最佳吸附条件。实验结果表明，三维掺氮石墨烯可以实现对水体中硝基酚的高效吸附，吸附效果与吸附剂的量成正相关，并在吸附时间约90 min时吸附效果最好。由此可见，三维掺氮石墨烯是一种优良的水体中硝基酚吸附剂，用于污水处理技术前景广阔。

关键词：氮掺杂石墨烯，水热法，4-硝基酚，吸附剂

Abstract：Graphene, a periodic honey comb lattice structure composed of carbon six-membered rings, is a kind of new two-dimensional carbon nanomaterial. It has excellent properties such as large specific surface area, high electron mobility, and good mechanical properties. Therefore, it It can be applied in fields of electronics, biomedicine, catalysis, energy storage and sensors. In this paper, three-dimensional nitrogen-doped graphene using graphite oxide as raw material, urea as nitrogen source was prepared by hydrothermal method, with a series of processing techniques such as freeze-drying and hydrothermal method. Then scanning electron microscopy, specific surface analysis and other techniques were employed to characterize the micromorphology and composition. The specific surface area of the as-prepared three-dimensional nitrogen-doped graphene reaches 226.7 m²/g, and the nitrogen doping content is 6.17 at%. Using the as-prepared three-dimensional nitrogen-doped graphene as adsorbent and 4-nitrophenol as a model, the optimal adsorption conditions for nitrophenol in water were investigated in detail. The experimental results show that three-dimensional nitrogen-doped graphene can achieve effectively adsorption of nitrophenol in water. Moreover, the adsorption effect is positively correlated with the amount of adsorbent, and the best adsorption time is about 90 minutes. It can be seen that three-dimensional nitrogen-doped graphene is an excellent nitrophenol adsorbent in water and has a promising prospect for the treatment of waste water.

Keywords: nitrogen-dopedgraphene, hydrothermal method, 4-nitrophenol, adsorbent

目 录

1前言 4

1.1石墨烯的发现 4

1.2石墨烯的结构和特性 4

1.3石墨烯的制备 4

1.4石墨烯的应用前景 5

1.5石墨烯的对于水体有机物吸附性能 6

2实验部分 6

2.1仪器和试剂 6

2.2实验步骤 7

2.2.1氧化石墨的制备 7

2.2.2三维掺氮石墨烯的制备 7

2.2.3三维掺氮石墨烯对有机物的吸附 7

3结果与讨论 7

3.1三维掺氮石墨烯的合成及表征 7

3.2三维掺氮石墨烯对4-硝基酚的吸附性能 9

3.2.1时间对三维掺氮石墨烯吸附性能的影响 9

3.2.2吸附剂用量对三维掺氮石墨烯吸附性能的影响 10

3.2.3 pH值对三维掺氮石墨烯吸附性能的影响 11

结论 12

参考文献 13

致谢 15

1前言

1.1石墨烯的发现

从远古时代开始，人类一直在利用碳元素，不断探索其新的形态。自富勒烯、碳纳米管被发现以来，“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”^[1]的理论一直被奉为经典，直到2004年，英国曼彻斯特大学的 Geim和他的助手 Novoselov第一次利用微机械剥离法获得石墨烯薄片层^[2]，填补了典型碳族二维材料的空缺，鉴于其开创性的研究成果，在2014年，两位科学家荣获诺贝尔物理学奖，由此引发了石墨烯的研究热潮。

因其独特的强度柔韧性、高的导热导电性和良好的光学性质，石墨烯在电子学、能源、材料、生物医学等多个学科领域都是研究的热点。近年来，石墨烯在污水处理领域的应用也受到环境学者们的广泛关注。

1.2石墨烯的结构和特性

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角形成蜂窝状晶格的二维晶体材料，只有一个原子层厚度（0.334 nm），而硬度却高于钻石，是目前世界上已知的最薄、最坚韧的纳米材料。单层原子结构的石墨烯对光的吸收率极低，其透光率高达98%，几乎呈透明状。另一方面，其理论比表面积高达2630 m²/g，为运载及储氢提供了完美的研究模型。石墨烯的蜂窝状结构使其具有超高的电子迁移速率，仅在室温下就超过了15000 cm²(V·s)^-1[3],加上低内阻特性，使其成为纳米电路的理想材料，因而在微电子器件如场效应晶体管、弹道传输等。由于其具有突出的导热性能，近年来石墨烯也被建议用于散热等方面。

此外，石墨烯还具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列特性，这些特征使得它非常适合作为保护层和透明电子产品的原料，因而备受物理、化学、材料等领域科学家的关注。

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