本發(fā)明涉及一種N、S元素協(xié)同修飾石墨烯電極去除水中鐵離子的方法，屬于廢水處理和材料合成領(lǐng)域。

技術(shù)背景

目前對(duì)于含鐵廢水的凈化處理主要有以下幾種工藝：萃取法、生物法、離子交換法、氧化沉淀法、吸附法等。以上方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，而相比之下，吸附法操作簡單，不引入雜質(zhì)離子，且設(shè)備費(fèi)用小，是最為廣泛使用的方法。而炭質(zhì)材料是一種非常好的吸附劑，能有效地去除氣相與液相中的多種污染物。

用于電吸附的材料有活性碳、碳納米管等含碳材料。石墨烯是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統(tǒng)稱。由于其非同尋常的導(dǎo)電性能、良好的熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能以及光學(xué)性能，得到了大家的廣泛關(guān)注，并應(yīng)用于很多研究領(lǐng)域，像光子器件、環(huán)境修復(fù)、生物技術(shù)、催化劑、新能源電池領(lǐng)域等。但是，在制備石墨烯的過程中，由于石墨烯中存在的π-π鍵和范德華力可能會(huì)導(dǎo)致它發(fā)生不可逆的聚集或者重新堆疊成石墨結(jié)構(gòu)，這會(huì)影響了石墨的性能。而3D石墨烯就能有效地防止這一現(xiàn)象的發(fā)生。并且這一新型材料—石墨烯水凝膠/氣凝膠，具有更大的比表面積，同時(shí)質(zhì)量輕、機(jī)械性能好、電子轉(zhuǎn)移率高。

石墨烯氣凝膠的用途有很多，由于其優(yōu)越的物理性質(zhì)和化學(xué)性能，常用于超級(jí)電容器、空氣凈化器等，本發(fā)明利用石墨烯氣凝膠的大比表面積以及高的電子轉(zhuǎn)移率用于去除廢水中的金屬鐵離子，去除效果好，同時(shí)價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)可行，并且無二次污染，是個(gè)很有發(fā)展其前景的處理方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在于將N、S元素協(xié)同修飾石墨烯電極應(yīng)用于一個(gè)新的領(lǐng)域—電吸附水中鐵離子中。將氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠制成吸附電極后能有效的吸附水中的鐵離子。

本發(fā)明涉及一種N、S元素協(xié)同修飾石墨烯電極去除水中鐵離子的方法，包括以下步驟：

a、制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠：將氧化石墨烯超聲分散于去離子水中，超聲10～30min使其分散均勻。待其分散均勻后加入L-半胱氨酸，攪拌使其分散均勻。然后將混合液在95℃的條件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物置于蒸餾水中沉浸2～3天，然后冷凍干燥，得到氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠材料；

b、制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極：將步驟a制得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠與預(yù)先配制的聚乙烯醇溶液混合，形成糊狀的分散液，移取0.1～0.4mL的分散液均勻涂抹于硬紙片上，冷凍干燥，得到氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極；

c、電化學(xué)法去除水中鐵離子：配制鐵離子溶液，量取鐵離子溶液置于電吸附容器中，將步驟b中制得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極對(duì)鐵離子進(jìn)行電吸附實(shí)驗(yàn)。電吸附鐵離子實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，以紙電極為工作電極，鉑片電極為對(duì)電極，甘汞電極為參比電極。同時(shí)使用電導(dǎo)率儀實(shí)時(shí)監(jiān)測溶液電導(dǎo)率的變化，當(dāng)電導(dǎo)率保持不變時(shí)，即各紙電極吸附達(dá)到平衡。

進(jìn)一步，步驟a中L-半胱氨酸與氧化石墨烯的質(zhì)量比為3:1，反應(yīng)溫度為95℃，反應(yīng)時(shí)間為2～4h。

進(jìn)一步，步驟c中電吸附水中的離子為Fe³⁺。

本發(fā)明的有益效果是：氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠的制備方法簡便易行，制備過程環(huán)保無污染，以這些材料修飾的電極對(duì)于水中鐵離子的吸附效率較高、時(shí)間短、操作簡便，材料的電吸附性能與以往材料相比也有了大幅的提升。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為實(shí)施例一中制備的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠的紅外譜圖(FT-IR圖)；

圖2為實(shí)施例二中溶液Fe³⁺初始濃度對(duì)Fe³⁺去除率的影響；

圖3為實(shí)施例三中氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極的吸附性能隨再生次數(shù)的變化。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，以下實(shí)施例旨在說明本發(fā)明而不是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定。

在本發(fā)明詳細(xì)敘述和實(shí)施例子中所示的鐵離子去除率是按下述方法測定的：式中，％R、C₀、C_e分別表示Fe³⁺的去除率、初始濃度、平衡濃度。

實(shí)施例一：

制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極包括以下幾個(gè)步驟：

(1)將0.15g的氧化石墨烯(GO)超聲分散在100mL蒸餾水中，再加入0.45g的L-半胱氨酸，機(jī)械攪拌使其充分混合，然后將混合液在95℃的條件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束后，將生成的產(chǎn)物沉浸于蒸餾水中2～3天，最后樣品在-52℃冷凍干燥24h，得氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠。

(2)將90mg步驟(1)制得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠材料加入2mL 4wt％的聚乙烯醇溶液，超聲使復(fù)合材料在溶液里分散均勻。取0.16mL上述分散液均勻涂抹于35mm×8mm的硬紙片(厚400μm)上，于-52℃冷凍干燥干燥12h，制成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極。

實(shí)施例二：

氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極的制備過程與實(shí)施例一相同。

將制備的摻氮石墨烯氣凝膠紙電極分別用于0.25、0.4、0.8、1、3和6mM的Fe³⁺溶液的電化學(xué)處理，施加電壓為0.3V，處理時(shí)間為2min，F(xiàn)e³⁺的去除率見圖2，可見摻氮石墨烯氣凝膠材料對(duì)低濃度的Fe³⁺溶液有較好的吸附效果。

實(shí)施例三：

氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極的制備過程與實(shí)施例一相同。

對(duì)氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極進(jìn)行循環(huán)電吸附試驗(yàn)。將氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極置于80mL濃度為0.25mmol/L的Fe³⁺溶液中，施加電位-0.3V，并記錄溶液電導(dǎo)率，2min后再次記錄溶液的電導(dǎo)率，計(jì)算去除率。隨后撤去電位讓其脫附，連續(xù)循環(huán)多次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。首次吸附Fe³⁺去除率為73.3％，在經(jīng)過30次的循環(huán)使用后電極對(duì)Fe³⁺去除率為71.9％，然后再繼續(xù)進(jìn)行電吸附循環(huán)實(shí)驗(yàn)，電吸附去除率逐漸下降，經(jīng)過80次的循環(huán)使用后去除率為66.8％。