CN105752993B - 一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法，包括如下步骤：1、将葫芦科植物的果皮清洗后切成块状，放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，加入蒸馏水，进行恒温热反应，反应结束后即得到生物质碳基湿凝胶；2、配置正硅酸四乙酯与乙醇的混合液A，将步骤1中得到的生物质碳基湿凝胶全部放入混合液A中浸泡；3、将步骤2中浸泡后的产物进行清洗；4、将步骤3中清洗后的产物在水浴下用乙腈进行洗涤；5、将步骤4中洗涤后获得的产物在真空干燥箱中干燥，获得最终产物增强型硅碳骨架生物质气凝胶。本方法无需添加表面活性剂或模板剂，采用常压干燥，降低了生产成本；制备的材料密度低，比表面积大，具有较好的脱色、吸附染料的效果。

Description

一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法。
背景技术
生物质碳气凝胶是一种具有孔隙率高、比表面积大、低密度的轻质纳米材料，在环境保护、催化、能量储备、电极材料等领域应用前景广泛。目前，以生物质为原料制备的新型的碳气凝胶成为新的研究热点，然而由于单纯的生物质碳气凝胶的特殊的结构特征导致其机械强度低，破坏了碳气凝胶纳米孔结构，其发展和工程应用受到了极大的限制。
为了克服材料的力学性能差的缺点，申请号为103274384公开了一种氧化石墨烯增强碳气凝胶材料的制备方法，申请号为102351494公开了一种泡沫材料增强二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法；102515181公开了一种提高气凝胶复合材料强度的办法；104446333、102557577公开了一种PP增强纤维和工业化玻璃二氧化硅凝胶材料的制备方法。但石墨烯的前处理比较复杂，往往需要使用有毒的氧化剂和还原剂，其他制备方法中需要调节溶液pH值，超临界干燥，冷冻干燥等，增加了生产成本，限制了其实际应用，因而需要开发低成本、强度大、常压干燥的骨架增强型的生物质气凝胶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单的制备增强型硅碳骨架生物质气凝胶的低成本制备方法。
本发明的目的可通过以下技术措施来实现：
一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将葫芦科植物的果皮清洗后切成块状，放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，加入蒸馏水，进行恒温热反应，反应结束后即得到生物质碳基湿凝胶；
步骤2、配置正硅酸四乙酯与乙醇的混合液A，将步骤1中得到的生物质碳基湿凝胶全部放入混合液A中浸泡；
步骤3、将步骤2中浸泡后的产物进行清洗；
步骤4、将步骤3中清洗后的产物在水浴下用乙腈进行洗涤；
步骤5、将步骤4中洗涤后获得的产物在真空干燥箱中干燥，获得最终产物增强型硅碳骨架生物质气凝胶。
步骤1中，所述块状的葫芦科植物的果皮的体积与蒸馏水的体积比为2:5。
步骤1中，所述的块状的葫芦科植物的果皮的尺寸为2cm*2cm*4cm。
步骤1中，所述恒温热反应的温度为160～180℃，恒温热反应的时间为12h～18h。
步骤1中，所用的葫芦科植物的果皮为冬瓜皮或西瓜皮。
步骤2中，配置混合液A时，所用的正硅酸四乙酯与乙醇的体积比为4:1～20:1；所用的混合液A的体积与步骤1中得到的生物质碳基湿凝胶体积比为25:14，所述的浸泡时间为24～72h。
步骤3中，所述的清洗方式为将浸泡后的产物放入乙醇中清洗3～5次。
步骤4中，所述的水浴的温度为30～40℃，产物在乙腈中的洗涤方式为在乙腈中洗涤36h，每隔12h交换溶剂，共洗涤三次。
步骤5中，所述真空干燥箱的温度为60℃，干燥时间为12～24h。
本发明制备的增强型硅碳骨架生物质气凝胶利用傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等对产物的形貌和结构进行分析。
有益效果：
1.本发明所述的增强型硅碳骨架生物质气凝胶的低成本制备方法，无需添加任何表面活性剂或模板剂，采用常压干燥大大降低了生产成本。
2.本发明所述的增强型硅碳骨架生物质气凝胶具有原料丰富，成本低廉；制备工艺简单，操作简便；周期性较短、常压干燥等一系列优点。
3.本发明所述的增强型硅碳骨架生物质气凝胶的低成本制备方法，不需要调节溶液pH值，不添加还原剂、氧化剂，减少环境污染，实现经济效益与环保效益的统一。
4.本发明所述的增强型硅碳骨架生物质气凝胶的低成本制备方法，制备得到的材料具有密度低，比表面积大，经过实验测试，该材料具有较好的脱色、吸附染料的效果。
附图说明
图1为本发明所制备样品的FTIR谱图；其中曲线(a)为实施例1所制备样品的FTIR谱图，曲线(b)为实施例3所制备样品的FTIR谱图，曲线(c)为实施例5所制备样品的FTIR谱图；
图2为本发明实例2所制备的样品的扫描电镜图；
图3为本发明实例4所制备的样品的扫描电镜图；
图4为本发明实例3所制备的样品的EDS能谱图；
图5为本发明实例1所制备的样品的吸附-脱附等温吸附线；
图6为本发明实例4所制备的样品的透射电镜图；
图7为本发明实例5所制备的样品的透射电镜图；
图8为本发明实例2所制备的材料对亚甲基蓝染料的吸附效果图，其中曲线(a)为吸附前的吸光度曲线，曲线(b)为吸附后的吸光度曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
将冬瓜皮清洗后切成2cm*2cm*4cm大小，将其放入100mL的聚四氟乙烯内衬反应釜中，向反应釜中加入40mL蒸馏水，然后在180℃下水热反应12h，反应完成后得到碳基湿凝胶；配置正硅酸四乙酯与乙醇的体积比为4:1的混合液A，取100mL所述的混合液A，将制备的碳基湿凝胶全部放入其中浸泡24小时；将碳基湿凝胶放入乙醇中清洗3～5次以清洗残余的溶液；再将碳基湿凝胶在30℃水浴下用乙腈进行洗涤36h，每隔12h交换，共三次。然后将获得的湿凝胶在60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可获得增强型硅碳骨架生物质气凝胶材料。
实施例2
将西瓜皮清洗后切成2cm*2cm*4cm大小，将其放入100mL的聚四氟乙烯内衬反应釜中，向反应釜中加入40mL蒸馏水，然后在180℃下水热反应12h，反应完成后得到碳基湿凝胶；配置正硅酸四乙酯与乙醇的体积比为8:1的混合液A，取100mL所述的混合液A，将制备的碳基湿凝胶全部放入其中浸泡24小时，将碳基湿凝胶放入乙醇中清洗3～5次以清洗残余的溶液；再将碳基湿凝胶在35℃水浴下用乙腈进行洗涤36h，每隔12h交换，共三次。然后将获得的湿凝胶在60℃的真空干燥箱中干燥24h，即可获得增强型硅碳骨架生物质气凝胶材料。
实施例3
将冬瓜皮清洗后切成2cm*2cm*4cm大小，将其放入100mL的聚四氟乙烯内衬反应釜中，向反应釜中加入40mL蒸馏水，然后在180℃下水热反应12h，反应完成后得到碳基湿凝胶，配置正硅酸四乙酯与乙醇的体积比为12:1的混合液A，取100mL所述的混合液A，将制备的碳基湿凝胶全部放入其中浸泡36小时，将碳基湿凝胶放入乙醇中清洗3～5次以清洗残余的溶液；再将碳基湿凝胶在40℃水浴下用乙腈进行洗涤36h，每隔12h交换，共三次。然后将获得的湿凝胶在60℃的真空干燥箱中干燥18h，即可获得增强型硅碳骨架生物质气凝胶材料。
实施例4
将冬瓜皮清洗后切成2cm*2cm*4cm大小，将其放入100mL的聚四氟乙烯内衬反应釜中，向反应釜中加入40mL蒸馏水，然后在170℃下水热反应18h，反应完成后得到碳基湿凝胶，配置正硅酸四乙酯与乙醇的体积比为16:1的混合液A，取100mL所述的混合液A，将制备的碳基湿凝胶全部放入其中浸泡36小时；将碳基湿凝胶放入乙醇中清洗3～5次以清洗残余的溶液；再将碳基湿凝胶在40℃水浴下用乙腈进行洗涤36h，每隔12h交换，共三次。然后将获得的湿凝胶在60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可获得增强型硅碳骨架生物质气凝胶材料。
实施例5
将冬瓜皮清洗后切成2cm*2cm*4cm大小，将其放入100mL的聚四氟乙烯内衬反应釜中，向反应釜中加入40mL蒸馏水，然后在160℃下水热反应24h，反应完成后得到碳基湿凝胶，配置正硅酸四乙酯与乙醇的体积比为20:1的混合液A，取100mL所述的混合液A，将制备的碳基湿凝胶全部放入其中浸泡72小时；将碳基湿凝胶放入乙醇中清洗3～5次以清洗残余的溶液；再将碳基湿凝胶在40℃水浴下用乙腈进行洗涤36h，每隔12h交换，共三次。然后将获得的湿凝胶在60℃的真空干燥箱中干燥12h，即可获得增强型硅碳骨架生物质气凝胶材料。
图1为本发明实例1、3、5所制备样品的FTIR谱图。其中曲线(a)为实施例1所制备样品的FTIR谱图，曲线(b)为实施例3所制备样品的FTIR谱图，曲线(c)为实施例5所制备样品的FTIR谱图；由图中可知，在3450cm-1处属于OH的弯曲振动，在1100cm-1和458cm-1处分别属于Si-O-Si的反对称伸缩振动和弯曲振动吸收峰，在936cm-1处属于Si-O的弯曲振动吸收峰，在780cm-1的吸收峰为Si-CH3的对称伸缩振动，在2987cm-1和1390cm-1处分别属于-CH3的不对称振动和对称振动吸收峰，在1640cm-1处属于C-O基团的吸收振动。
图2为本发明实例2所制备的样品的扫描电镜图，由图2可知，生物质碳气凝胶的表面存在大量的二氧化硅粒子。
图3为本发明实例4所制备的样品的扫描电镜图，表明得到的复合物保持了生物质碳气凝胶的多孔结构，且表面存在二氧化硅纳米粒子。
图4为本发明实例3所制备的样品的EDS能谱图，表明复合物中存在C、O、Si三种元素。
图5为本发明实例1所制备的样品的吸附-脱附等温吸附线，由图可知复合物具有较大的比表面积，为457.93m2g-1。
图6为本发明实例4所制备的样品的透射电镜图，表明复合物保持了生物质碳气凝胶的三维网络交联结构，且存在大量的二氧化硅纳米粒子。
图7为本发明实例5所制备的样品的透射电镜图，表明复合物保持了生物质碳气凝胶的三维网络交联结构，且存在大量的二氧化硅纳米粒子。
图8为本发明实例2所制备的材料对亚甲基蓝染料的吸附效果图，染料的去除率达到了96％。

Claims (8)

1.一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将葫芦科植物的果皮清洗后切成块状，放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，加入蒸馏水，进行恒温热反应，反应结束后即得到生物质碳基湿凝胶；
步骤2、配置正硅酸四乙酯与乙醇的混合液A，所用的正硅酸四乙酯与乙醇的体积比为4:1~20:1；将步骤1中得到的生物质碳基湿凝胶全部放入混合液A中浸泡；所述的混合液A的体积与步骤1中得到的生物质碳基湿凝胶体积比为25:14，所述的浸泡时间为24~72h；
步骤3、将步骤2中浸泡后的产物进行清洗；
步骤4、将步骤3中清洗后的产物在水浴下用乙腈进行洗涤；
步骤5、将步骤4中洗涤后获得的产物在真空干燥箱中干燥，获得最终产物增强型硅碳骨架生物质气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述块状的葫芦科植物的果皮的体积与蒸馏水的体积比为2:5。
3.根据权利要求1所述的一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的块状的葫芦科植物的果皮的尺寸为2cm*2cm*4cm。
4.根据权利要求1所述的一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述恒温热反应的温度为160~180℃，恒温热反应的时间为12h~18h。
5.根据权利要求1~4任意一项所述的一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1中，所用的葫芦科植物的果皮为冬瓜皮或西瓜皮。
6.根据权利要求1所述的一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的清洗方式为将浸泡后的产物放入乙醇中清洗3~5次。
7.根据权利要求1所述的一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述的水浴的温度为30~40℃，产物在乙腈中的洗涤方式为在乙腈中洗涤36h，每隔12h交换溶剂，共洗涤三次。
8.根据权利要求1所述的一种增强型硅碳骨架生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述真空干燥箱的温度为60℃，干燥时间为12~24h。
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