氧化石墨烯基功能纸的简易制备和染料吸附性能

染料污染是水体污染的一个重要方面,吸附法因具有效率高,简单易操作等优点,被认为优于其他的染料废水处理技术.本文采用一种简单的方法制备了具有高吸附、易分离特性的氧化石墨烯基功能纸,研究其对水中阳离子染料的吸附,考察了吸附时间、染料初始浓度、吸附剂用量及温度对吸附性能的影响.利用扫描电子显微镜、拉曼光谱分析、热重分析、紫外可见吸收光谱仪等测试方法,对氧化石墨烯基功能纸的结构、形貌和吸附性能进行表征分析.结果表明:氧化石墨烯基功能纸对阳离子染料亚甲基蓝和罗丹明B有良好的吸附效果,当亚甲基蓝和罗丹明B的初始浓度分别为40和30 mg·L_(-1),功能纸对两种染料的吸附量分别达到了54.84和21.74 mg·g_(-1).而且这种氧化石墨烯基吸附材料很好地解决了吸附剂与水体的分离问题.另外,实验还发现,在氧化石墨烯基功能纸吸附染料的过程中,氧化石墨烯对染料的吸附作用远远大于纸巾本身对染料的吸附.例如,对于罗丹明B,纸巾的吸附量几乎为零,当罗丹明B的初始浓度为30 mg·L_(-1)时,以纸巾上负载的氧化石墨烯质量计算的吸附量达到了183 mg·g_(-1).动力学研究结果表明吸附过程较好地符合伪二级动力学模型,热力学数据分析,氧化石墨烯基功能纸对两种染料的吸附行为是自发吸热的.研究结果对基于氧化石墨烯的吸附材料的制备和应用提供了参考依据.     

异性官能团修饰石墨烯吸附GIS 特征气体能力的DFT研究

为研制高灵敏度气体绝缘组合开关(GIS)特征气体检测传感器,利用密度泛函理论方法,采用分子模拟软件对GIS特征气体(SO_2,SOF_2,SO_2F_2,CF_4)在异性官能团(羟基、羧基与氨基)修饰石墨烯表面的吸附过程进行模拟计算,从微观角度研究了GIS特征气体在异性官能团修饰石墨烯表面的吸附机理.首先计算了各吸附体系的吸附能、净电荷转移量以及态密度,比较了羟基与羧基修饰石墨烯对GIS特征气体的吸附能力;再通过分子前线轨道与能隙对吸附能力强弱的机理进行了研究,得出强吸附修饰官能团的规律性特征,并通过氨基石墨烯进行验证.结果表明:羧基与羟基修饰石墨烯能够有效提高对SO_2,SOF_2,SO_2F_2的吸附能力,但羧基石墨烯对GIS特征气体的整体吸附能力更强;异性官能团修饰石墨烯后的能隙及其与气体分子前线轨道能量差越小,对GIS特征气体吸附能力就越强,异性官能团修饰石墨烯的能隙与前线轨道能量差可以作为选择特征气体敏感材料的依据.     

聚酰亚胺/功能化石墨烯复合材料力学性能及玻璃化转变温度的分子动力学模拟

应用分子模拟方法,建立了聚酰亚胺(polyimide,PI),石墨烯及羧基、氨基、羟基功能化石墨烯模型,探究了聚酰亚胺和石墨烯,聚酰亚胺和功能化石墨烯共混后复合材料的力学性能和玻璃化转变温度(T_g).研究结果表明,羧基修饰的石墨烯与PI复合后材料力学性能增加显著,其杨氏模量和剪切模量分别为4.946 GPa和1.816 GPa.不同官能团修饰的石墨烯引入PI后材料的T_g均有不同程度下降;未修饰的石墨烯与PI复合后,其T_g(559.30 K)较纯PI的T_g(663.57 K)降幅最大;而羧基修饰的石墨烯与PI复合后T_g(601.61 K)降幅最小.计算比较了PI/石墨烯复合材料体系密度、溶解度参数、相互作用能、弹性系数和氢键平均密度,研究发现羧基修饰石墨烯/PI复合材料的密度为1.396 g·cm~(-3),溶解度参数为23.51 J~(1/2)·cm~(-3/2),其相互作用能与氢键平均密度最大,弹性系数显示羧基修饰石墨烯与PI组成的复合材料内部最均匀.计算结果表明,羧基功能化石墨烯可以大幅度提高PI的力学性能,增强石墨烯与PI之间的相互作用可以减少复合材料T_g的降幅程度.此基体间相互作用的研究方法可以作为预测聚合物基纳米复合材料结构与性能的有效工具,以期为材料的设计与应用提供理论指导.     

异性官能团修饰石墨烯吸附GIS特征气体能力的DFT研究

为研制高灵敏度气体绝缘组合开关(GIS)特征气体检测传感器，利用密度泛函理论方法，采用分子模拟软件对GIS特征气体(SO_2,SOF_2,SO_2F_2,CF_4)在异性官能团(羟基、羧基与氨基)修饰石墨烯表面的吸附过程进行模拟计算，从微观角度研究了GIS特征气体在异性官能团修饰石墨烯表面的吸附机理.首先计算了各吸附体系的吸附能、净电荷转移量以及态密度，比较了羟基与羧基修饰石墨烯对GIS特征气体的吸附能力;再通过分子前线轨道与能隙对吸附能力强弱的机理进行了研究，得出强吸附修饰官能团的规律性特征，并通过氨基石墨烯进行验证.结果表明:羧基与羟基修饰石墨烯能够有效提高对SO_2,SOF_2,SO_2F_2的吸附能力，但羧基石墨烯对GIS特征气体的整体吸附能力更强;异性官能团修饰石墨烯后的能隙及其与气体分子前线轨道能量差越小，对GIS特征气体吸附能力就越强，异性官能团修饰石墨烯的能隙与前线轨道能量差可以作为选择特征气体敏感材料的依据.     

密度泛函理论研究草甘膦在纯的, 金属原子掺杂石墨烯表面的吸附机理

本研究采用密度泛函理论方法详细讨论了纯的石墨烯及Ti, Fe, Al, Ca原子掺杂石墨烯吸附草甘膦的机理.通过它们之间的吸附能,差分电荷密度,布居电荷,态密度分析发现草甘膦可以被纯的石墨烯及金属原子掺杂石墨烯不同程度地吸附.纯的石墨烯对草甘膦的吸附作用远不及掺杂石墨烯,其中,草甘膦在Ca掺杂石墨烯表面有最强相互作用.这是因为草甘膦与纯的石墨烯之间主要形成了-P=O…π,-COOH…π和-OH…π非共价的相互作用,而与掺杂石墨烯之间主要形成了Metal-O“单齿”和O-Metal-O“双齿”共价相互作用.本研究结果希冀为石墨烯在环境保护方面的应用提供有价值的理论指导.     

氧化石墨烯-亚甲基蓝体系荧光光度法灵敏测定铋(Ⅲ)离子

在水溶液中,氧化石墨烯(Go)对亚甲基蓝(CMB)的荧光可产生猝灭作用,加入适量Bi3+可使体系的荧光增强,且增强程度与Bi3+的加入量有关。氧化石墨烯含有大量的含氧官能团使之表面带负电荷,易于分散在水中。带正电荷的荧光染料亚甲基蓝通过静电引力和π—π堆积作用吸附在GO表面,形成了GO-MB复合物,从而产生荧光猝灭。使用改进的Hummers制备了氧化石墨烯,应用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对制备的GO进行了表征。利用紫外可见吸收光谱验证了石墨烯与亚甲基蓝的作用过程,结果表明亚甲基蓝的荧光猝灭后,其两个主要吸收峰强度明显降低,而且GO的吸收光谱与MB的发射光谱完全不同,重叠度太小,不能发生能量转移,因此,GO与MB发生的荧光猝灭属于静态猝灭过程。当向亚甲基蓝氧化石墨烯络合体系加入Bi3+后,由于Bi3+体积小,带正电荷多从而取代了亚甲基蓝致使亚甲基蓝脱离氧化石墨烯,荧光恢复,荧光恢复的程度随Bi3+量的增加而增强,据此建立了氧化石墨烯-亚甲基蓝荧光光度法测定Bi3+的新方法。考察了亚甲基蓝、氧化石墨烯浓度,酸度以及试剂加入顺序对体系荧光恢复的影响,该络合体系的激发波长为667 nm,发射波长为690 nm,在优化条件下,Bi3+的浓度在0.5～100 μmol·L-1范围内与荧光强度呈良好的线性关系,相关系数为0.995 5。方法的检出限为1.0×10-8 mol·L-1(S/N=3)。评价了该方法的选择性,结果表明当共存离子为1 000倍的K+,Ca2+,Na+,Mg2+,Cu2+;100倍的Fe3+,Be2+,SiO2-₃,Al3+,Ni2+,Sb3+,NO-₃,Cl-,F-;20倍的Pb2+,Hg2+,Cd2+不干扰Bi3+的测定,新方法具有灵敏度高、快速、成本低等优点,将提出的方法用于环境水样的分析,回收率为93.4%～105.2%。     

功能化UiO-66/GO光催化剂的微波合成及其光响应特性研究

光催化降解是一种有效的环境修复方法,金属有机骨架材料(MOFs)具有高比表面积、丰富的拓扑结构和易于调节的多孔结构等优点,近年来,在光催化领域引起了越来越多的关注。利用方便的微波辅助一步法,合成了氨基化UiO-66/GO复合材料,并用于去除水中有机染料的可见光催化降解。氧化石墨烯(GO)含有大量的羟基和羧基,可以用来捕获电子、促进电子移动和限制光子产生载流子的复合。通过对功能化UiO-66/GO光响应特性的研究证实了GO的加入可以有效提高氨基化UiO-66的结构稳定性和光稳定性,抑制光腐蚀,提升光催化降解效果。     

二氧化钛纳米晶/石墨烯复合物的制备及其光催化性能 (cited: 1)

以氧化石墨和TiO₂溶胶为前驱物,结合絮凝与水热技术制备了TiO₂纳米晶/石墨烯复合物,表征了产物的结构、形貌、孔隙率、光谱吸收性质. 结果表明：TiO₂纳米晶的存在一定程度上阻止了石墨烯片层的重组,TiO₂纳米晶/石墨烯复合物较单纯TiO₂材料具有更强的吸光性能、对亚甲基蓝分子更强的吸附性能以及更高的电荷分离效率. 在紫外光和太阳光下,TiO₂纳米晶/石墨烯复合物对亚甲基蓝的光催化降解效率均高于P25和纯TiO₂.     

PtCu二元金属催化剂抗CO中毒性能的理论研究

基于密度泛函第一性原理研究了M-graphene(M=Pt,Cu,PtCu;graphene:pristine,Stonewales,Single-vacancy graphene)催化剂的抗CO中毒能力.对于纯Pt和纯Cu吸附在石墨烯上时,Pt的吸附能力最强,吸附结构最稳定.当Pt中掺杂Cu后,PtCu二元金属催化剂在石墨烯上的吸附结构的稳定性进一步增强.通过对M-graphene-CO吸附结构的研究,发现以缺陷石墨烯为载体的金属催化剂的抗CO中毒能力优于以原始石墨烯为载体的同种金属催化剂,PtCu二元金属催化剂抗CO中毒能力明显好于纯Pt和纯Cu的抗毒性.因此,缺陷石墨烯载体以及掺杂Cu的PtCu二元金属催化剂,对于提高催化剂的稳定性和抗CO中毒能力起到了重要的作用.     

密度泛函理论研究多巴胺在纯的, Fe和Ca掺杂石墨烯材料表面的吸附机理

本论文用密度泛函理论方法研究了多巴胺在纯的, Fe和Ca掺杂的石墨烯上的吸附机理. 通过它们之间的相互作用能, 态密度, 布局电荷, 差分电荷密度分析发现多巴胺平行躺在纯的石墨烯表面主要是π•••π, -CH•••π相互作用, 而垂直放在纯的石墨烯表面主要是-OH•••π相互作用, 这些都表现为典型的物理吸附. 而Fe和Ca掺杂的石墨烯大大增强了多巴胺的吸附, 主要体现为典型的化学吸附, 因为掺杂金属原子与多巴胺的邻苯二酚羟基主要形成“bridge bidenate” or “monodenate”共价相互作用. 而且我们发现“monodenate”共价作用不一定小于“bridge bidenate”共价作用, 主要取决于相互作用原子之间最短距离的大小. 研究结果有望为多巴胺-石墨烯基体系在生物组织工程, 传感器方面的应用上提供有价值的理论指导.     

Effect of electrostatic interaction on the methylene blue and methyl orange adsorption by the pristine and functionalized carbon nanotubes

Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were functionalized with cysteamine groups by several percentage of mass as adsorbents, then kinetics adsorption capacity was investigated for methylene blue (MB) and methyl orange (MO) as anionic and cationic dyes adsorbate molecules, respectively. The effect of temperature (from 283 to 303 K), contact time and initial concentration of the MB and MO dyes in a solution (10 to 40 ppm) was considered. The optimal contact time was found to be about 60 min. Some kinetics model such as pseudo-first-order, pseudo-second-order, intra-particle diffusion and the Elovich were tested. The adsorptions of MB dye on the pristine and functionalized MWCNT surfaces were found to be the intra-particle diffusion and the pseudo-second-order kinetic model, respectively and for adsorption of MO dye by the pristine and low functionalized MWCNTs and highly functionalized tubes, found to be the pseudo-second-order and intra-particle diffusion kinetic model, respectively, based on the chi-square statistic (X²) and also high correlation coefficient (R²) values.     

NiCoP/rGO复合材料的合成及其性能研究

以六水合氯化镍、七水合硫酸钴、氧化石墨烯(GO)和赤磷为原料,利用原位水热法,在不添加任何表面活性剂的情况下,合成了磷化钴镍/还原氧化石墨烯(NiCoP/rGO)纳米复合材料,并通过XRD、SEM、TEM、IR、Raman等对该复合材料进行了表征.结果表明,所得复合材料由NiCoP纳米颗粒和还原氧化石墨烯片层结构组成,NiCoP纳米颗粒尺寸大约为20 nm,均匀分布在rGO片层结构表面上,同时探讨了复合材料的形成过程.另外,复合材料的吸附脱除实验表明,所得复合材料对多种染料都具有非常好的吸附作用,因此,在污水处理方面有较大的应用价值.     

DFT研究掺杂和电场条件下2,6-二氯苯并-2,4-二氯苯胺在石墨烯表面的吸附

本工作采用密度泛函理论详细探讨了2,6-二氯苯并-2,4-二氯苯胺（2,6-DBDA）氯代有机二噁英与纯的, Fe和Ti掺杂石墨烯之间的吸附机理, 并考虑了外加电场对吸附的影响. 结果表明掺杂 Fe和Ti原子增强了2,6-DBDA 在石墨烯表面的吸附, 这是因为Fe和Ti掺杂石墨烯与2,6-DBDA间形成了metal-N和metal-Cl共价相互作用. 此外, 在外加电场的作用下, 不同原子掺杂的石墨烯对2,6-DBDA的吸附影响不同. 2,6-DBDA-Ti-G体系, 在添加0.010 au的外电场时有最大相互作用, 而2,6-DBDA-Fe-G体系, 相互作用随着电场的施加反而有所减小. 金属掺杂及电场可以灵活调控2,6-DBDA在石墨烯表面的吸附, 此研究有望为氯代有机二噁英的检测及去除提供有价值的理论指导.     

石墨烯改性锡酸锌材料的光谱特性及其光催化性能

半导体光催化氧化技术在处理能源危机和环境污染问题方面有非常重要的应用。选取石墨烯对水热法制备的Zn₂SnO₄进行改性。通过透射电镜(TEM)观察其形貌特征,通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)以及X射线光电子能谱(XPS)分析其结构和组成。采用紫外-可见光分光光度计检测石墨烯/Zn₂SnO₄催化降解亚甲基蓝(MB)性能。通过添加自由基捕获剂的光催化实验、电子顺磁共振谱和荧光光谱检测分析石墨烯/Zn₂SnO₄降解MB的光催化机理。通过光催化重复性实验对石墨烯/Zn₂SnO₄的稳定性进行评估。结果表明：加入石墨烯不会对Zn₂SnO₄的结构形貌产生较大影响;当氧化石墨烯(GO)添加量为4 Wt%时,石墨烯/Zn₂SnO₄的光催化活性最高的;光催化过程中·OH是主要的活性物质,存在·OH间接氧化有机污染物的机制。     

单层石墨烯水分子吸附对其光学性质的影响

用基于第一性原理中的密度泛函理论MS软件对水分子吸附在单层石墨烯表面进行计算,使用广义梯度近似和周期性平面模型,得到不同数量的水分子吸附在石墨烯表面上的吸附能,并且计算了相对应的光学性质.得到的结果是吸附能很小,主要是范德瓦尔斯相互作用.石墨烯具有高疏水性,水分子在石墨烯表面对石墨烯的电子结构几乎没有作用,吸附不同个数的水分子后对石墨烯的光学性质有一定影响,其中吸附单个水分子后变化并不明显,吸附2或3个水分子后吸收率和光电导率略有下降;折射率和消光率下降不明显,说明吸附水对石墨烯的透明度影响不大;介电函数的实数部分变化趋于平缓,虚数部分有明显下降;能量损失增加.     

单层石墨烯水分子吸附对其光学性质的影响

用MS软件对水分子吸附在单层石墨烯表面进行计算,采用第一性原理中的密度泛函理论。使用广义梯度近似和周期性平面模型,得到不同数量的水分子吸附在石墨烯表面上的吸附能,并且计算了相对应的光学性质。得到的结果是吸附能很小,主要是范德瓦尔斯相互作用。石墨烯具有高疏水性,水分子在石墨烯表面对石墨烯的电子结构几乎没有作用,吸附不同个数的水分子后对石墨烯的光学性质有一定影响,其中吸附单个水分子后变化并不明显,吸附2或3个水分子后吸收率和光电导率略有下降;折射率和消光率下降不明显,说明吸附水对石墨烯的透明度影响不大;介电函数的实数部分变化趋于平缓,虚数部分有明显下降;能量损失增加。     

凹槽铜基底表面与单层石墨烯的相互作用特性研究

基于石墨烯二维材料的诸多应用需要将其大面积、高质量地转移到目标基底上,迫切需要了解石墨烯在剥离和转移过程中与基底之间的相互作用特性.本文采用经典分子动力学方法探索了铜基底表面凹槽的几何特征尺寸对石墨烯吸附和剥离过程中凹槽基底对石墨烯吸附作用的影响机理和规律.结果表明:对于固定边界条件下的单层石墨烯,当基底表面的凹槽宽度固定不变时,吸附过程中基底对石墨烯的吸附力随二者间距的减小,呈现先增大后减小的趋势;其最大吸附力随凹槽深度的增加而增大,而当凹槽深度继续增大至石墨烯未能吸附进入凹槽底部的临界值时,吸附力迅速减小;剥离过程中,石墨烯完全剥离的临界作用力随凹槽深度的增加同样呈现先增大后减小的趋势,且与剥离前石墨烯与凹槽基底的相互作用面积有关;当基底表面凹槽的深度固定不变时,吸附和剥离过程中石墨烯-基底之间的吸附力随间距的变化规律取决于石墨烯在基底凹槽处的稳态吸附构型.     

Enhanced gas sensing performance of polyaniline incorporated with graphene: A first-principles study

Conducting polymers such as polyaniline (PANI) are potential sensing materials for ammonia due to their fast response and low cost, however, the corresponding sensing mechanism needs to be studied further. In this paper, molecular dynamic and first-principles simulations are carried out to investigate ammonia sensing mechanisms of polyaniline/graphene heterostructure. The adsorption of ammonia at different locations of pure polyaniline and graphene/PANI composites is analyzed. The band gap for graphene/PANI system shows more significant change after adsorption than that of pure polyaniline, which indicates higher sensitivity for detecting ammonia, and the results of sorption isotherm imply that graphene/PANI system exhibits more adsorption capacity for ammonia. Moreover, diffusion coefficient of ammonia in polyaniline/graphene system is much large than that of pure polyaniline, demonstrating that gas diffusion occurs more easily in the heterostructure. The results are verified by experimental data, and the proposed computational frame can be used to evaluate and design nanocomposite materials for gas sensor.     

Synthesis and characterization of ZnS:Ni-NPs loaded on AC derived from apple tree wood and their applicability for the ultrasound assisted comparative adsorption of cationic dyes based on the experimental design

The applicability of ZnS:Ni nanoparticles loaded on activated carbon derived from apple tree wood (ZnS:Ni-NPs-ACATW) for the adsorption of Methylene Blue (MB) and Janus Green B (JGB) dyes in single system from water solution has been described. The synthesized adsorbent characterized and identified by UV–Vis, FE-SEM, EDX, TEM, FTIR and XRD. The influences of operation parameters including initial MB or JGB concentration (9.0–33.0 mg L⁻¹), pH (4.0–10.0), extent of adsorbent (0.08–0.12 g) and sonication time (4.0–8.0 min) investigated and subsequently best operational condition optimized by central composite design (CCD) combined with response surface methodology (RSM) and desirability function (DF) using STATISTICA 10.0 software. At optimum conditions, maximum MB and JSB adsorption onto ZnS:Ni-NPs-ACATW, i.e. 99.57% ± 1.34 and 98.70% ± 2.01, respectively was achieved pH of 7.0, 0.11 g adsorbent, 14 and 28 mg L⁻¹ of MB and JSB concentration respectively and 8 min sonication time. Experimental data were modelled by Langmuir, Freundlich, Temkin and Dubinin-Radushkevich (D-R) isotherms. Langmuir isotherm and monolayer adsorption capacity of MB and JSB was found to be 21.79 and 28.01 mg g⁻¹ respectively. The regression results strongly support more contribution of pseudo-second-order model for more accurate and repeatable representation of kinetic data. These results reveal that ZnS:Ni-NPs-ACATW could be useful as agents to efficiently remove dyes (JGB and MB) from contaminated water and can be very well recommended for wastewater remediation and control of environmental pollution.     

Investigation on fluorescence quenching of dyes by graphite oxide and graphene

Rhodamine B (Rh B), eosin (E) and methylene blue (MB) were used as a probe to investigate the molecular structure and charge of the dyes on the sensitized efficiency of graphite oxide (GO) and graphene (G). The structure of the prepared GO and G were characterized by X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM), respectively. To study the electron transfer between dyes and GO or G, UV-vis absorption spectra (UV-vis), steady state fluorescence spectra (FL) and time resolved fluorescence spectra have been determined. It has been found that the electron transfer from the excited dyes to G was more efficient than to GO, and the transfer from excited MB to G was easier than to Rh B and E, because of the different electrostatic attraction between the dye and G.