CN106745117A - 一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料及其制备方法和用途 - Google Patents

一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种片状木质素基生物碳/水滑石复合纳米材料及其制备方法，由经过焙烧处理的水滑石与木质素原料制备而成，其比表面积为200‑1200m2/g，孔容积为0.2‑0.8cm3/g，电阻率为0.2‑3.0Ω·m，包括以下步骤：焙烧：制得复合双金属氧化物；还原：得到木质素/水滑石复合物；高温碳化：得到片状木质素基生物碳/水滑石复合纳米材料。本发明的有益效果如下:避免了共沉法水滑石片径较小、纯度不高的问题，同时也避免了在合成过程中木质素分子对金属离子的络合造成的聚集现象；更易于调控片状生物碳的微观结构及产物组成，并且该方法工艺简单，成本低，易于工业化。可应用吸附、催化、能量存储、电磁等领域。

Description

一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种片状木质素基生物碳/水滑石复合纳米材料及其制备方法和用途，属于材料科学技术领域。
背景技术
碳材料，如碳黑、碳纤维、碳纳米管、富勒烯、石墨烯等，由于具有超高的机械强度和导电导热性能等特点，在各领域有着极其广泛且重要的应用。然而，这些碳材料通常需要以石化资源作原料，采用较昂贵的仪器设备，或生产工艺方法复杂，导致碳材料成本较高。因此，如何摆脱碳材料对石化资源的依赖，降低生产成本，简化工艺方法，成为碳材料研究领域的关键问题。
在这些碳材料当中，二维石墨烯由于其具有高比表面积、超高电子迁移率、良好的导电能力和高光学透光率等优点，在电磁、光学、能源、传感等领域有着巨大的应用潜力和前景。自2004年发现石黑烯以来，它推动了整个材料研究领域向二维纳米材料的发展。
生物质具有来源广、可再生、无毒环保、成本低等优点，利用其作原料制备碳材料或将解决常规碳材料生产成本高、工艺复杂等问题。值得注意的是，由生物质制备二维碳纳米材料势必会最大化生物碳的附加值和应用潜力。目前，关于制备具有二维纳米结构生物碳材料的研究报道非常少。公开号为CN 105800599 A的专利公开了一种利用多孔豆壳制备氮自掺杂多孔石墨烯的方法。该方法制备的生物碳石墨烯具有较高的比表面积、孔容量和良好的导电性能，可应用于能量存储、超级电容器等方面。而关于其它生物质原料制备二维碳纳米材料的研究报道暂未发现。
水滑石，又称层状双金属氢氧化物(LDH)，是指层间具有可交换阴离子的层状结构化合物，其化学组成可由如下通式表示：[MII 1-xMIII x(OH)2]x+(An- x/n).mH2O，其中MII和MIII分别为二价和三价阳离子，位于主体层板的八面体空隙；An-为价数为-n的层间阴离子，x为MⅢ的摩尔数，m为水合数。水滑石的板层结构是由金属氢氧八面体通过共用边相互连接而成，带正电，层与层对顶叠加，层间以氢键缔合，层间有可交换的阴离子作为平衡离子，使整个结构呈电中性。水滑石材料种类繁多，已在催化、吸附、医药等方面得到广泛应用。公开号为CN104609415 B的专利公开了一种用有机阴离子插层水滑石并在惰性气体下煅烧碳化得到石墨烯的方法，可实现石墨烯的大规模化生产。然而，该方法所使用的有机阴离子依赖石化资源，且价格相对于木质素等生物质材料更加昂贵。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明利用水滑石的结构和物理特性，提供一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料及其制备方法，以减少二维碳材料对石化资源的依赖，并最大化木质素基生物碳的价值，其可用作吸附、催化、能量存储或电磁等材料。
为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料，其特征在于，由经过焙烧处理的水滑石与木质素原料制备而成，其比表面积为200-1200m2/g，孔容积为0.2-0.8cm3/g，电阻率为0.2-3.0Ω·m。
一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)焙烧：将水滑石在400-700℃下焙烧1-6小时，制得复合双金属氧化物；
(2)还原：将一定量步聚(1)中制得的复合双金属氧化物加入到提纯后的木质素溶液中，充分搅拌1-12小时，离心洗涤，取出沉淀并在60-80℃下干燥，得到木质素/水滑石复合物；
(3)高温碳化：在惰性气体保护下，将步骤(2)中制备得到的木质素/水滑石复合物升温到600-1200℃碳化2-8小时，得到片状木质素基生物碳/水滑石复合纳米材料。
按上述方案，步骤(1)中所述水滑石由下述方法制备得到：
将摩尔比为1.5～5.0：1：3.0～15的二价金属盐、三价金属盐、尿素溶解到已去除二氧化碳的去离子水中，于80-105℃下搅拌12-48小时，将反应产物过滤、洗涤、干燥，得到水滑石。
按上述方案，所述二价金属盐为Mg2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+、Cu2+、Co2+、Pd2+、Fe2+金属离子的氯化盐或硝酸盐中的一种或几种的混合物；所述三价金属盐为Al3+、Cr3+、Co3+、Fe3+、Sc3+金属离子的氯化盐或硝酸盐中的一种或几种的混合物。
按上述方案，所述洗涤为用去离子水和无水乙醇洗涤。
按上述方案，所述干燥的温度为60-80℃。
按上述方案，步骤(2)中所述提纯后的木质素溶液由下述方法制备得到：
将一定量木质素原料分散于去离子水中，加入氢氧化钠调节pH值为10-12.5并机械搅拌，待木质素充分溶解后，采用离心的方式分离木质素溶液中纤维素、半纤维素和不溶杂质。
按上述方案，所述木质素为碱木质素、硫酸盐木质素、酶解木质素、乙酸木质素、高沸醇木质素、丙酮木质素、氨木质素、酚木质素、离子液体木质素、爆破木质素、超临界萃取木质素以及溶剂型木质素中的一种或多种的混合物。
按上述方案，步骤(2)中所述木质素与复合双金属氧化物的质量比为1：0.5～10。
所述片状生物碳/水滑石复合纳米材料的应用，其特征在于，可用作吸附、催化、能量存储或电磁等材料。
相比于现有技术，本发明的有益效果如下:
1、本发明利用尿素分解法制备水滑石，可形成片径大、结晶性高的层状双金属氢氧化物，有利于制备片状尺寸较大的木质素基生物碳。与共沉法制备水滑石/木质素复合物，即将木质素与金属盐混合后共沉淀制备水滑石相比，采用水滑石焙烧还原法将木质素分子吸附至还原的水滑石片层表面，避免了共沉法水滑石片径较小、纯度不高的问题，同时也避免了在合成过程中木质素分子对金属离子的络合造成的聚集现象；
2、本发明的制备方法中，水滑石与木质素分步制备，通过调控水滑石的组成、合成工艺及两者间的比例，更易于调控片状生物碳的微观结构及产物组成，并且该方法工艺简单，成本低，易于工业化。
3、本发明所制备的片状木质素基生物碳/水滑石复合纳米材料具有非常高的比表面积以及孔容量和良好的导电性能，可应用吸附、催化、能量存储、电磁等领域。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)制备水滑石：将0.1mol CoCl2·6H2O、0.05mol AlCl3·6H2O、0.2mol尿素溶解到1L已去除二氧化碳的去离子水中，置于98℃下搅拌48小时，待反应完毕后，过滤并用去离子水洗涤5次，然后用无水乙醇洗涤3次，再置于60℃下干燥，得到水滑石。
(2)焙烧：将步骤(1)中制备得到的水滑石在500℃下焙烧4小时，制得复合双金属氧化物。
(3)还原：将10g木质素原料分散于500ml去离子水中，加入氢氧化钠调节pH值为12并机械搅拌。待木质素充分溶解后，采用离心的方式分离木质素溶液中纤维素、半纤维素和不溶杂质，得到提纯后的木质素溶液，随后，加入20g步聚(2)中制得的水滑石双金属氧化物，充分搅拌6小时，使得木质素通过静电作用吸附到还原的水滑石片层表面，然后离心洗涤直至上层澄清，取出沉淀并在80℃下干燥，得到木质素/水滑石复合物。
(4)高温碳化：将步骤(3)中制备得到的木质素/水滑石复合物在惰性气体保护下升温到800℃碳化4小时，得到片状木质素基生物碳/水滑石复合纳米材料。
采用BET氮气吸附法测得，本实施例制备的片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料的BET比表面积为474m2/g，孔容积为0.43cm3/g。采用ALC-25型粉末电阻率测定仪测定其电阻率为0.34Ω·m。
实施例2
采用实施例1中的方法制备片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料，不同的是，二价金属盐、三盐金属盐及尿素分别为0.15mol NiCl2·6H2O，0.1mol AlCl3·6H2O及0.5mol，其它条件不变。
经测定，本实施例制得的片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料的BET比表面积为359m2/g，孔容积为0.35cm3/g，电阻率为1.13Ω·m。
实施例3
采用实施例1中的方法制备片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料，不同的是，二价金属盐、三盐金属盐及尿素分别为0.2mol ZnCl2，0.1mol AlCl3·6H2O及0.3mol尿素，其它条件不变。
经测定，本实施例制得的片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料的BET比表面积为498m2/g，孔容积为0.46cm3/g，电阻率为0.32Ω·m。
实施例4
采用实施例1中的方法制备片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料，不同的是，二价金属盐、三盐金属盐及尿素分别为0.1mol FeCl2·4H2O，0.05mol AlCl3·6H2O及0.2mol尿素，其它条件不变。
经测定，本实施例制得的片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料的BET比表面积为372m2/g，孔容积为0.32cm3/g，电阻率为1.06Ω·m。
实施例5
采用实施例1中的方法制备片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料，不同的是，木质素由10g改为15g，其它条件不变。
经测定，本实施例制得的片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料的BET比表面积为309m2/g，孔容积为0.31cm3/g，电阻率为1.26Ω·m。
实施例6
采用实施例1中的方法制备片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料，不同的是，复合双金属氧化物由20g改为30g，其它条件不变。
经测定，本实施例制得的片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料的BET比表面积为642m2/g，孔容积为0.53cm3/g，电阻率为0.51Ω·m。
实施例7
采用实施例3中的方法制备片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料，不同的是，复合双金属氧化物由20g改为30g，其它条件不变。
经测定，本实施例制得的片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料的BET比表面积为736m2/g，孔容积为0.59cm3/g，电阻率为0.68Ω·m。
实施例8
采用实施例7中的方法制备片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料，不同的是，高温碳化温度由800℃改为1200℃，其它条件不变。
经测定，本实施例制得的片状木质基生物碳/水滑石复合纳米材料的BET比表面积为1043m2/g，孔容积为0.67cm3/g，电阻率为1.39Ω·m。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料，其特征在于，由经过焙烧处理的水滑石与木质素原料制备而成，其比表面积为200-1200m2/g，孔容积为0.2-0.8cm3/g，电阻率为0.2-3.0Ω·m。
2.一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)焙烧：将水滑石在400-700℃下焙烧1-6小时，制得复合双金属氧化物；
(2)还原：将一定量步聚(1)中制得的复合双金属氧化物加入到提纯后的木质素溶液中，充分搅拌1-12小时，离心洗涤，取出沉淀并在60-80℃下干燥，得到木质素/水滑石复合物；
(3)高温碳化：在惰性气体保护下，将步骤(2)中制备得到的木质素/水滑石复合物升温到600-1200℃碳化2-8小时，得到片状木质素基生物碳/水滑石复合纳米材料。
3.根据权利要求2所述的片状生物碳/水滑石复合纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述水滑石由下述方法制备得到：
将摩尔比为1.5～5.0：1：3.0～15的二价金属盐、三价金属盐、尿素溶解到已去除二氧化碳的去离子水中，于80-105℃下搅拌12-48小时，将反应产物过滤、洗涤、干燥，得到水滑石。
4.根据权利要求3所述的片状生物碳/水滑石复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述二价金属盐为Mg2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+、Cu2+、Co2+、Pd2+、Fe2+金属离子的氯化盐或硝酸盐中的一种或几种的混合物；所述三价金属盐为Al3+、Cr3+、Co3+、Fe3+、Sc3+金属离子的氯化盐或硝酸盐中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求3所述的片状生物碳/水滑石复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述洗涤为用去离子水和无水乙醇洗涤。
6.根据权利要求3所述的片状生物碳/水滑石复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为60-80℃。
7.根据权利要求2所述的片状生物碳/水滑石复合纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述提纯后的木质素溶液由下述方法制备得到：
将一定量木质素原料分散于去离子水中，加入氢氧化钠调节pH值为10-12.5并机械搅拌，待木质素充分溶解后，采用离心的方式分离木质素溶液中纤维素、半纤维素和不溶杂质。
8.根据权利要求7所述的片状生物碳/水滑石复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述木质素为碱木质素、硫酸盐木质素、酶解木质素、乙酸木质素、高沸醇木质素、丙酮木质素、氨木质素、酚木质素、离子液体木质素、爆破木质素、超临界萃取木质素以及溶剂型木质素中的一种或多种的混合物。
9.根据权利要求2所述的片状生物碳/水滑石复合纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述木质素与复合双金属氧化物的质量比为1：0.5～10。
10.权利要求1所述片状生物碳/水滑石复合纳米材料的应用，其特征在于，可用作吸附、催化、能量存储或电磁等材料。
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