一種用于染料吸附的三維石墨烯氣凝膠材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于有關(guān)染料吸附用氣凝膠材料的技術(shù)領(lǐng)域，更加具體地說，涉及一種 2-脲-4-[H]-嘧啶酮分子修飾的石墨烯三維結(jié)構(gòu)材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨稀，英文名稱為Graphene，是由單層碳原子構(gòu)成的二維（2D)碳納米材料，是 繼富勒稀和碳納米管之后人們發(fā)現(xiàn)的又一種新型碳納米材料。石墨稀又被稱為單層石墨， 這是因?yàn)樗脑优帕信c石墨的單原子完全相同，是碳原子以sp2雜化形式緊密排列成蜂 窩狀結(jié)構(gòu)的單層二維晶體。石墨烯這種單層的二維碳材料由于其具有大比表面積、高的電 導(dǎo)率、熱導(dǎo)率以及出色的機(jī)械性能引起了人們的廣泛關(guān)注。并且石墨稀的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu) 越的性能使其在諸多領(lǐng)域都有非常廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 在很多實(shí)際應(yīng)用中，通常需要將石墨稀組裝成宏觀的物體。然而由于石墨烯層與 層之間存在很強(qiáng)的Ji-Ji相互作用和范德瓦爾斯力，石墨稀片層通常會(huì)發(fā)生團(tuán)聚和堆疊， 這樣就會(huì)極大降低石墨烯的有效面積，從而使其應(yīng)用范圍大大減少。為了克服這個(gè)障礙從 而更好的開發(fā)和利用石墨烯的性能，人們把目光投向了三維（3D)結(jié)構(gòu)的石墨烯，比如石墨 稀水凝膠、氣凝膠、泡沫和多孔膜等，三維石墨烯在保持了石墨烯片優(yōu)異性能的同時(shí)，其具 有獨(dú)特的多孔特性，并且能夠?yàn)殡娮?離子傳輸和存儲(chǔ)提供更多的空間。三維石墨烯有大 的比表面積，大的孔隙率，因而能夠提供大量的吸附活性位點(diǎn)，已有的報(bào)道證明三維石墨稀 材料具有很好的氣體吸附能力，并且是去除水中污染物（如有機(jī)溶劑、油、重金屬離子和染 色體）的有效吸附和吸收材料，因此三維石墨稀材料可以用于吸附空氣中的有害氣體以及 水資源凈化。
[0004] 但是，在目前的方法得到的三維石墨烯中，石墨烯片間的連接作用力多為π-π 作用或者范德華力等物理作用或者通過有機(jī)小分子共價(jià)鍵橋接，結(jié)構(gòu)固定。因此，本文設(shè)計(jì) 用具有四氫鍵結(jié)構(gòu)的2-脲-4-[H]_嘧啶酮來修飾石墨烯，以動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵來驅(qū)動(dòng)石墨烯片自 組裝成動(dòng)態(tài)三維結(jié)構(gòu)石墨稀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供具有三維結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠材 料及其制備方法，制備得到的石墨烯氣凝膠材料具有三維互穿多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面 積，可以作為一種染料吸附材料。本發(fā)明首先，將氧化石墨烯和2-脲-4-[H]_嘧啶酮分 子溶解于無水N，N-二甲基甲酰胺中，二月桂酸二丁基錫作催化劑，反應(yīng)一段時(shí)間后得到 2-脲-4-[H]-啼啶酮修飾的石墨?。粚?-脲-4-[H]-啼啶酮修飾的石墨稀溶解于無水 N，N-二甲基甲酰胺中，加入蒸餾水，使得2-脲-4-[H]-嘧啶酮修飾的石墨烯自組裝成疏松 多孔的結(jié)構(gòu)；通過交換溶劑去除掉N，N-二甲基甲酰胺，低溫凍干得到三維石墨烯材料。本 發(fā)明的技術(shù)方案操作簡單，快速環(huán)保，且制備得到的氣凝膠材料孔隙率高，比表面積大，有 望應(yīng)用于染料，重金屬吸附等領(lǐng)域中。
[0006] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種可用于染料吸附的石墨烯氣凝膠材料，其石墨烯片上接枝了 2-脲-4-[H]_嘧 啶酮，每一層的石墨烯片通過2-脲-4-[H]-嘧啶酮層層組裝起來形成三維結(jié)構(gòu)。
[0008] 其示意結(jié)構(gòu)式如下：
[0009]
[0010] 本發(fā)明的石墨烯氣凝膠材料的制備方法；其步驟如下：
[0011] 1)將6-甲基異胞嘧啶放到反應(yīng)器中，再加入1，6-己二異氰酸酯，在氬氣氣氛保護(hù) 下反應(yīng)，然后用石油醚沉淀，分離烘干后得到產(chǎn)物2-脲-4-[H]-嘧啶酮；
[0012] 2)將得到的2-脲-4-[H]_嘧啶酮到加入反應(yīng)器中，倒入無水N，N-二甲基甲酰胺； 再加入氧化石墨稀，氧化石墨稀和2-脲-4-[H]-啼啶酮的質(zhì)量比為1 :2~5,使混合物分 散均勻；加入2-脲-4-[H]-嘧啶酮的1%。到1 %質(zhì)量份數(shù)的二月桂酸二丁基錫，在氬氣氣氛 保護(hù)下，于80°C反應(yīng)6-24小時(shí)，抽濾得到產(chǎn)物2-脲-4-[H]_嘧啶酮修飾的石墨烯；
[0013] 3)將2-脲-4- [H]-嘧啶酮修飾的石墨烯分散于無水N，N-二甲基甲酰胺中，加入 蒸餾水，靜置〇. 5~3小時(shí)待其自組裝的完成，然后用水置換出N，N-二甲基甲酰胺，將石墨 烯的組裝體先在冰箱中預(yù)凍8~12小時(shí)，然后再控制溫度-60°C~_50°C進(jìn)行凍干，即得到 2_脲-4-[H]-嘧啶酮連接的三維結(jié)構(gòu)石墨烯材料。
[0014] 所述步驟1)中反應(yīng)條件為80°C~100°C下反應(yīng)12~24小時(shí)。
[0015] 所述步驟2)中氧化石墨稀和2-脲-4-[H]_啼啶酮的質(zhì)量比為1 :2~5。
[0016] 所述步驟2)中利用超聲30~90分鐘將使混合物分散均勻。
[0017] 本發(fā)明合成反應(yīng)方程式如下：
[0018]
[0019] 本發(fā)明的技術(shù)方案操作簡單，快速環(huán)保，且制備得到的氣凝膠材料孔隙率高，比表 面積大，有望應(yīng)用于染料，重金屬吸附等領(lǐng)域中。所得的三維結(jié)構(gòu)石墨烯由于是由動(dòng)態(tài)四重 氫鍵自組裝而成，是一種多孔的氣凝膠材料，比表面積大，因此可用于吸附染料，染料吸附 能力可達(dá)180mg.g\和傳統(tǒng)的殼聚糖、膨潤土等（10mg.g1到80mg.g3相比，染料吸附速度 快，效果好。
【附圖說明】
[0020] 圖1為2-脲-4-[H]_嘧啶酮連接的三維結(jié)構(gòu)石墨烯的掃描電子顯微鏡圖片；
[0021] 圖2為2-脲-4-[H]-嘧啶酮連接的三維結(jié)構(gòu)石墨烯的傅里葉變換紅外吸收光譜；
[0022] 圖3為2-脲-4-[H]_嘧啶酮連接的三維結(jié)構(gòu)石墨烯的X射線衍射圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是限制本發(fā)明的范圍。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] 1) 2-脲-4-[H]-嘧啶酮的制備：稱取0·125g的6-甲基異胞嘧啶到三口燒瓶中， 再加入1. 008g的1，6-己二異氰酸酯，在氬氣氣氛保護(hù)下，于80°C下反應(yīng)12小時(shí)，然后用 30-60沸點(diǎn)的石油醚沉淀，分離烘干后得到產(chǎn)物2-脲-4-[H]-嘧啶酮0. 26g。
[0026] 2) 2-脲-4-[Η] -嘧啶酮與氧化石墨烯的反應(yīng)：稱取0.26g的2-脲-4-[Η] -嘧啶 酮到三口燒瓶中，倒入30ml無水Ν，Ν-二甲基甲酰胺；再加入0. 13g的氧化石墨稀，超聲30 分鐘使混合物分散均勻；加入千分之一