摘要
随着现代工业的快速发展，大气污染日趋严重，对生态系统和人体健康构成了严重威胁。苯、甲苯等挥发性有机物（VOCs）的排放是造成空气污染的主要因素。介孔氧化硅（MCM-41）具有比表面积高、孔容大、易吸附其他物质和稳定性良好等优点，比一般吸附材料具有更大的化学活性和吸附容量。然而，MCM-41的纳米或微米大小材料特性导致气体很难通过紧密堆积的粉末，在实际应用中不能直接作为吸附剂使用。通过石墨烯气凝胶（GA）作为载体材料，一步水热合成制备超轻介孔氧化硅石墨烯气凝胶（MSGA）复合材料，可以实现对VOCs（代表物质苯蒸气）的有效吸附。 本文采用水热还原法制备MSGA，根据原料的不同，电解氧化法制备的氧化石墨烯（EGO）为原料得到的复合材料命名为MSEGA，化学氧化法制备的氧化石墨烯（CGA）为原料得到的复合材料命名为MSCGA，扩孔氧化硅（LPMS）为原料合成的复合材料命名为LPMSGA。采用SEM、XPF、XRD、N2吸附/脱附等手段对样品的微观形貌、元素含量及介孔结构进行表征与分析。考察了不同MCM-41的加入量、不同制备方法的氧化石墨烯、不同粒径和孔径大小的介孔氧化硅颗粒对合成复合材料结构和苯吸附性能的影响，探索了MSEGA在不同温度下苯吸附能力，以及有水分存在下可以对苯蒸气吸附性能的影响。论文主要研究工作如下： （1）采用电解氧化法连续批量地合成EGO，以EGO与CGO分别作为原料，乙二胺为还原剂，采用一步水热法在碱性环境下合成水凝胶，经冷冻干燥后制备出低密度的GA。探索不同EGO浓度对于材料合成影响，发现8mg·mL-1为最佳的EGO浓度值。当加入600μL的EDA时，达到最佳用量，可以得到形态规则，内部孔隙结构均匀的石墨烯水凝胶，经冷冻干燥处理后，机械强度较高。与CGO相比，EGO具有较大的片层，更有利于合成完整的复合材料。同时，GA的弹性试验说明其孔结构具有较高的稳定性。SEM表征GA为蜂窝状开孔结构，具有发育良好的开孔结构和完整的互连框架，是MCM-41负载的优良载体。 （2）合成不同孔径和粒径的MCM-41和LPMS。在MCM-41合成方法的基础上，使用均三甲苯作为扩孔剂调节可以获得更大粒径和孔径的LPMS。对制备的材料进行表征，MCM-41球形外形，二维孔隙的孔道结构有序排列，LPMS为椭圆外形，有着高度有序的六边形阵列二维孔道结构，平均粒径/孔径分别为119/2.73nm和201/3.83nm，其比表面积分别为1139.780，711.789m2·g-1。 （3）通过快速水热法，以GO和MCM-41（LPMS）为原料，乙二胺（乳糖）为交联剂，合成了MSGA（LPMSGA）复合材料。通过对复合材料的微观形貌、稳定性与均一性、材料的孔隙结构进行表征，发现MCM-41颗粒密集地分布在石墨烯薄层表面；复合材料的中间体水凝胶可以独立放置于容器中，具有良好的稳定性；经过长时间和较高温度的水热反应后，MSGA的介孔结构保持良好。当MCM-41含量达到最大值88.2%时，比表面积达到395.5m2·g-1。通过材料不同位置元素含量分布测试表明，MCM-41纳米颗粒可以均匀负载到复合材料中。 （4）通过竞争性吸附仪测试MSGA吸附性能。将苯作为VOCs代表物质，采用高通量测试条件（500mL·min-1）来研究复合材料对苯的吸附性能，研究介孔氧化硅加入量分别为74.1%和88.2%的MSEGA，GA、MSEGA和LPMSGA对苯的吸附实验结果显示，载体石墨烯气凝胶吸附时间较短，复合材料的吸附性能明显优于GA，而且吸附性能与介孔氧化硅的含量和孔径有关。在低温条件下MSEGA有利于吸附苯蒸气，温度越高，分子热运动增加，吸附量下降。在环境湿度下，MSGA复合材料的除苯性能达到11.07mL·g-1。更重要的是，该复合材料在高通量气体吸附领域具有很大的应用潜力。
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