MOF/ 石墨烯复合气凝胶的制备及其吸附性能研究

引言：

金属有机骨架 (MOF) 作为新兴多孔材料，凭借高比表面积、可调节孔径与丰富活性位点等特性，在吸附领域展现出卓越潜力。石墨烯则因其独特二维结构、优异机械性能与导电性，成为构建三维网络材料理想基础。MOF 与石墨烯复合构建气凝胶，有望通过协同效应克服各自不足，实现性能突破。本研究围绕 MOF/ 石墨烯复合气凝胶制备方法创新与吸附机理探索，旨在为环境污染物高效去除提供新型材料解决方案。

一、MOF/ 石墨烯复合气凝胶制备方法

（一）原位生长法构建复合界面结构

原位生长法作为构建 MOF/ 石墨烯复合气凝胶关键工艺，通过在石墨烯氧化物分散液中直接引入金属离子与有机配体，实现 MOF 晶体在石墨烯表面定向生长。氧化石墨烯表面羧基、羟基等含氧官能团充当成核位点，有效锚定金属离子，促进 MOF 晶体原位形成。反应温度、pH 值、前驱体浓度比例直接影响界面结合强度与 MOF 负载量，需精确控制。搅拌速率调节可避免团聚现象，保证分散均匀性。超声辅助技术能够增强前驱体在石墨烯表面扩散速率，加速成核过程。原位生长过程中，反应时间长短决定晶体尺寸分布，宜采取梯度延长策略，确保晶粒均匀。

（二）溶剂热法调控晶体生长形貌

溶剂热法调控 MOF 晶体生长形貌依赖密闭高压环境，反应釜内形成的高温高压条件显著加速前驱体扩散速率，促进晶体生长。溶剂选择直接影响反应路径，水基体系有利于形成水稳定性 MOF，醇类溶剂则促进特定晶面优先生长。调节剂添加策略可精确控制晶体外观，如甲酸调节剂抑制异向生长，醋酸根离子促进棱角发达多面体形成。温度梯度设计允许晶体从快速成核向缓慢生长转变，获得尺寸均一晶体。加热速率控制避免局部过热引起形貌不规则，冷却策略影响晶体完整性。混合溶剂体系通过改变溶剂极性调节金属离子与配体溶解度差异，实现晶体形貌多样化。微波辅助溶剂热法借助定向能量输入，缩短反应周期同时提升晶体结晶度。

（三）冷冻干燥技术保持三维网络结构

冷冻干燥技术作为 MOF/ 石墨烯复合气凝胶制备关键环节，通过升华过程巧妙避开液相表面张力破坏，完整保留三维网络骨架。预冻环节温度控制决定冰晶尺寸分布，缓慢降温形成定向冰晶通道，快速冷冻则产生均匀微小冰晶孔道。冻结过程中溶剂体系选择影响孔结构特征，叔丁醇体系形成片层状大孔结构，水体系则呈现蜂窝状微孔网络 。预冻温度稳定性直接关系到冰晶生长均匀度，液氮速冻虽快但易造成材料开裂，干冰 - 丙酮体系冷冻则兼顾速度与稳定性。主干燥阶段真空度控制影响升华速率，压力过低导致升华过快引起骨架坍塌，压力略高则升华缓慢延长制备周期。温度梯度设计能够实现由外及内均匀干燥，避免内部水汽逸出过程破坏结构。

（四）表面修饰工艺提升功能化性能

表面修饰工艺通过精准引入特定官能团，赋予 MOF/ 石墨烯复合气凝胶定向吸附能力与环境适应性。氨基修饰采用乙二胺、聚乙烯亚胺等试剂接枝，引入碱性位点，增强对酸性污染物吸附亲和力。巯基化处理利用硫醇类化合物接枝反应，创造高亲和力金属捕获位点，针对性吸附汞、铅等重金属离子。疏水改性运用硅烷偶联剂覆盖表面极性基团，提升材料疏水性，增强油类污染物吸附选择性。季铵盐官能团引入赋予材料抗菌特性，抑制生物膜形成，延长使用寿命。

二、MOF/ 石墨烯复合气凝胶吸附性能机理

（一）多级孔道结构促进传质扩散效应

MOF/ 石墨烯复合气凝胶呈现独特多级孔道结构，包含石墨烯片层间形成的大孔通道、MOF 晶体自身微孔体系以及两者界面过渡区中介孔网络。大孔通道充当污染物分子快速运输高速公路，减少扩散阻力，提升物质传输效率。微孔结构则成为最终吸附活性场所，提供大量有效吸附位点。不同层级孔道间形成立体互通网络，污染物分子沿浓度梯度由大孔向微孔迁移，实现外表面向内部活性位点的渐进式扩散过程。多级孔道协同作用显著降低体系内传质阻力，加快吸附平衡建立速率，解决传统单一孔道材料吸附动力学缓慢瓶颈问题。

（二）协同活性位点增强吸附选择性

复合气凝胶中石墨烯表面含氧官能团与 MOF 金属中心、有机配体形成多样化吸附活性位点，共同构筑高选择性吸附体系 [2]。石墨烯基底上羧基、羟基、环氧基等官能团对极性污染物表现出亲和力，π 电子共轭体系则通过 π-π 堆积作用选择性吸附含芳香环结构污染物。MOF 组分中配位不饱和金属中心提供强路易斯酸性位点，针对性结合电子给体污染物；有机配体上功能基团则通过氢键、静电力选择特定官能团污染物。两种材料吸附位点空间位阻效应互补，协同作用下实现单组分难以达成的立体选择性捕获能力。

（三）界面相互作用提高循环稳定性

MOF/ 石墨烯复合气凝胶中两种组分间形成的界面相互作用是材料具备优异循环稳定性关键。石墨烯片层作为刚性骨架支撑 MOF 晶体，防止其在吸附 - 解吸循环过程中结构坍塌，保持晶体完整性。MOF 晶体则作为石墨烯片层间”分子支柱”，阻止片层堆叠，维持气凝胶三维多孔结构。界面化学键合创造电子传递通道，改变 MOF 活性中心电子云密度分布，增强金属 - 配体键稳定性，提高材料抗溶剂侵蚀能力。界面处形成的过渡区缓冲两种组分热膨胀系数差异，降低热应力损伤风险，增强材料热稳定性。石墨烯优异导热性能促进吸附热快速分散，避免局部热量积累导致MOF 结构损伤。

结束语

研究成果表明，通过优化制备方法可有效调控复合气凝胶的微观结构与表面特性，进而显著提升其对环境污染物的吸附性能。多级孔道结构与丰富活性位点的协同作用为高效吸附提供了物质基础，界面相互作用则保证了材料的循环稳定性。MOF/ 石墨烯复合气凝胶在重金属离子、有机染料与挥发性有机物去除方面展现出的优异性能，为环境治理领域提供了新型材料解决方案。

参考文献：

[1] 胡世棋 , 季涛 , 刘其霞 , 等 . 石墨烯复合气凝胶的制备及其吸附性能研究 [J]. 产业用纺织品 ,2021,39(06):20-28+33.

[2] 程有亮 , 赵维娜 , 方长青 , 等 . 石墨烯量子点 / 纤维素复合气凝胶材料的制备及其吸附性能研究 [J]. 包装工程 ,2020,41(05):114-120.