本文關(guān)鍵詞： 山東南墅 石墨礦 地質(zhì)特征 資源利用 石墨烯 制備 應用　出處：《吉林大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：山東南墅石墨礦是中國重要的石墨礦之一。近年來,受世界石墨行業(yè)普遍不景氣影響,山東南墅石墨礦于2015年12月破產(chǎn)閉坑。重新振興研究區(qū)的石墨產(chǎn)業(yè),急需一種新的能夠提高礦區(qū)石墨資源經(jīng)濟價值的資源開發(fā)利用模式;石墨烯是一種價格昂貴、性質(zhì)優(yōu)良的新型碳納米材料,石墨是其制備的原材料,如果把研究區(qū)內(nèi)的石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯,將會極大的提高研究區(qū)內(nèi)石墨礦的潛在經(jīng)濟價值,有可能挽救已經(jīng)倒閉的礦山企業(yè)。研究區(qū)位于膠東半島西部,出露地層主要為古元古界荊山群和第四系地層;區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育,主要分為褶皺構(gòu)造、斷裂構(gòu)造和節(jié)理構(gòu)造;區(qū)內(nèi)變質(zhì)作用以區(qū)域變質(zhì)作用為主,混合巖化-花崗巖化作用較強。區(qū)內(nèi)石墨礦主要產(chǎn)出于古元古界荊山群陡崖組徐村段,礦床分布受地層、變質(zhì)巖、區(qū)域變質(zhì)作用及構(gòu)造的影響,富碳酸建造的粘土-半粘土質(zhì)巖層是找礦的主要標志;研究區(qū)石墨礦床主要是在淺海帶較穩(wěn)定的沉積環(huán)境中,由富含有機質(zhì)的陸源碎屑沉積,經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用,并在混合巖化作用的疊加作用之下形成的,屬沉積變質(zhì)型礦床。研究區(qū)內(nèi)主要包含劉家莊石墨礦和岳石石墨礦,通過資源儲量核查,共查明全區(qū)石墨礦石資源儲量總計75270千噸,傳統(tǒng)經(jīng)營模式下,潛在經(jīng)濟價值為81.40億元,若用球磨法和電化學方法將石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯,其潛在經(jīng)濟價值將達到1184044億元,提高了14546倍。為驗證將研究區(qū)石墨制備為石墨烯的可行性,分別選取劉家莊和岳石礦區(qū)晶質(zhì)石墨礦作為樣品,進行球磨法和電化學方法制備石墨烯的實驗,并對制備的石墨烯材料進行了拉曼圖譜、透射電鏡、X-射線衍射、紅外光譜等表征。結(jié)果表明:兩種方法均制備出了粒徑均勻、比表面積大的高品質(zhì)石墨烯材料;兩個礦區(qū)樣品用同一種方法制備的石墨烯表征結(jié)果相近,表明兩個礦區(qū)的晶質(zhì)石墨礦均可制得高品質(zhì)的石墨烯。為驗證本研究所得石墨烯具有良好的應用價值,本文進行了石墨烯在電化學發(fā)光傳感器檢測中的應用實驗、石墨烯量子點在金屬離子檢測、污水處理、細胞成像中的應用研究。結(jié)果表明:用球磨法制備石墨烯,可為進一步制備為石墨烯量子點提供綠色環(huán)保的碳源,可成功應用于自來水中鐵離子的檢測、污水處理及細胞成像研究;電化學方法制備的石墨烯,應用于電化學發(fā)光傳感器的制備,可成功地實現(xiàn)對三丙胺和藥物四環(huán)素的檢測,方法簡單、經(jīng)濟實用,充分證明了本區(qū)石墨制備的石墨烯具有巨大應用潛力和經(jīng)濟價值。總之,本文通過對研究區(qū)地質(zhì)特征的深入研究,估算出研究區(qū)內(nèi)石墨資源的資源儲量,計算出現(xiàn)有經(jīng)營模式下的潛在經(jīng)濟價值,通過將石墨制備為石墨烯來提高其潛在經(jīng)濟價值,并用不同的實驗方法來驗證石墨烯的制備和應用的可行性。實驗結(jié)果表明,本區(qū)的晶質(zhì)石墨礦完全可以制備性質(zhì)優(yōu)良的石墨烯,并且實驗結(jié)果表明所制備的石墨烯具有良好的應用效果;通過本文研究將石墨制備為石墨烯來提高研究區(qū)石墨資源潛在經(jīng)濟價值的模式是可行的。本研究所得成果,可為研究區(qū)地質(zhì)勘查與開發(fā)提供理論依據(jù),可作為礦山企業(yè)發(fā)展和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略決策的依據(jù),應用本文成果,將為重振本區(qū)礦山企業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)揮重要作用。本文創(chuàng)新點主要有以下方面:創(chuàng)新點一:通過對研究區(qū)地質(zhì)特征及礦床、礦石特征的深入研究,估算出資源儲量及潛在經(jīng)濟價值,通過將區(qū)內(nèi)石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯,建立能極大提升研究區(qū)石墨資源潛在經(jīng)濟價值的資源開發(fā)新模式,并用實驗驗證了其制備和應用的可行性,創(chuàng)立研究區(qū)石墨資源產(chǎn)學研一體化研究的新模式。創(chuàng)新點二:本研究選用研究區(qū)石墨作為原材料,分別用優(yōu)化的球磨法和電化學方法制備出了高品質(zhì)石墨烯材料。球磨法采用成本低廉、無毒的干冰作為濕介質(zhì),制備出了粒徑均勻、比表面積大的高品質(zhì)石墨烯,本技術(shù)克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的耗能大、效率低、成本高、污染環(huán)境等諸多缺點,所需儀器設備要求不高、制備過程綠色環(huán)保;電化學方法選用芘功能化的聚丙烯酸(PAA)作為輔助剝離介質(zhì),儀器設備簡單、操作簡便、條件溫和,實現(xiàn)了PAA功能化的、具有良好石墨晶格結(jié)構(gòu)的、分散性良好的少層石墨烯材料的一步法制備,PAA的添加提高了石墨烯的分散性,同時實現(xiàn)了石墨烯的功能化,大大拓展了所制備石墨烯的應用潛力和價值。這兩種方法為探索穩(wěn)定可靠的將研究區(qū)石墨轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟價值高的產(chǎn)品提供了新思路。創(chuàng)新點三:本研究采用電化學方法制備得到的PAA功能化石墨烯(PAAG),與全氟化離子鍵聚合物(Nafion)形成復合物離子交換膜,制備得到PAAG/Ru修飾的電化學發(fā)光傳感器。PAAG的使用一方面由于石墨烯的存在極大地提高了傳感器的電導率,同時基于帶正電的電化學發(fā)光探針和帶負電的PAA之間的靜電吸附作用,極大地提高了探針的吸附量,使制得的傳感器高效、穩(wěn)定,可實現(xiàn)對三丙胺和藥物四環(huán)素的靈敏檢測,同時具有長期穩(wěn)定性良好、操作簡單、經(jīng)濟低耗的特點。充分證實了通過一步電化學方法制備的功能化石墨烯具有巨大應用價值。創(chuàng)新點四:本研究選用球磨法制備的石墨烯作為碳源前驅(qū)體,通過一步水熱法成功制備出了分散性良好、平均尺寸為4.8 nm的石墨烯量子點。該方法具有綠色環(huán)保、工藝簡單、成本低等優(yōu)勢。所制備的石墨烯量子點可用于自來水中鐵離子的特異性靈敏檢測及去除;基于其低毒性和優(yōu)良的生物相容性,所制備的石墨烯量子點被成功應用于細胞成像研究。本研究為碳納米材料的制備提供了一種新途徑,也進一步深化了石墨烯量子點在生化分析、除污、成像等方面的研究。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ127.11;P619.252

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本文編號：1516569