CN107416790B - 一种超薄生物质碳的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超薄生物质碳的制备方法，其包括步骤为：将能催化碳低温石墨化的金属离子盐加水溶解，加入到经悬浮培养得到的植物细胞或经酶解得到的植物原生质体中，然后在惰性气氛保护下于高温炉中加热处理，将高温处理得到的产物经酸洗、过滤、烘干得到超薄生物质碳。本发明方法工艺简单、原料来源广泛且制备简单、成本低、易于实现超薄生物质碳规模化和工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳材料的制备方法，特别是一种超薄生物质碳的制备方法。
背景技术
近年来，随着能源、分离技术、化学/生物传感技术，电催化技术的快速发展，碳材料作为其应用的一种主体材料，在学术界和工业界已被广泛关注。但由于化石资源的短缺，碳材料的发展和应用受到了限制，开发利用新型绿色碳源显得尤为重要。生物质碳具有高的比表面积和丰富的表面官能团，而且大部分生物质都含有丰富的碳元素，可以成为制备各种碳材料的丰富原料。
生物质碳因其大的比表面积、良好的化学稳定性和优异的力学性能，受到人们的密切关注，在催化剂负载、药物输运、不稳定物质的保护、能源储存、环境污染物处理与净化、土壤改良等方面具有广泛的应用前景。当前，制备生物质碳所采用的碳源有农业废弃物(秸秆、果皮等)、林业废弃物(木材加工剩余物等)、禽畜渔加工废弃物、微生物等。由于各种生物质的组成和结构不同，从而得到的生物质碳的性能也完全不同。
发明内容
本发明针对目前对生物质碳的广泛需求，提供一种超薄生物质碳的制备方法及其制成的生物质碳，其比表面积大且超薄，采用经悬浮培养得到的植物细胞或经酶解得到的植物原生质体作为碳源，这种碳源来源广泛且制备简单，易于实现超薄生物质碳的规模化和工业化生产。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种超薄生物质碳的制备方法，包括步骤为：
(1)经悬浮培养得到植物细胞或经酶解得到植物原生质体；
(2)将能催化碳低温石墨化的金属离子盐溶于水形成溶液后，加入到步骤(1)得到的植物细胞或植物原生质体中；
(3)将步骤(2)所得混合物在惰性气氛保护下于高温炉中加热处理，加热处理温度为200-1000℃，保温时间为1-20小时；
(4)将步骤(3)所得产物经酸洗、过滤、烘干，即得到超薄生物质碳。
所述经悬浮培养得到所需植物细胞的具体步骤为：
取生长周期为3-4周长势良好和完整的植物叶片，切成小块接种到含0.5mg/L植物生长素(2,4-D)、0.05mg/L细胞分裂素(6-BA)和1.8g/L植物凝胶的固体培养基上，置于植物组织培养室内培养1个月。然后选取生长旺盛、质地均匀、淡黄色、疏松的愈伤组织(1g)接种到50mL含细胞分裂素6-BA、植物生长素2,4-D和酸水解酪蛋白且pH＝5.8的液体培养基中，于120rpm、25℃下进行暗培养。每7天继代1次。制得的植物悬浮细胞悬浮于0.4M甘露醇中备用。植物细胞放入高温炉加热前进行离心处理去掉甘露醇。
所述经酶解得到所需植物原生质体的具体步骤为：
待植物生长到3-4周时，取伸展、完整的叶片(5-8真叶)，用刀片切成1mm左右的细丝，置于酶解液中，25℃、110rpm黑暗酶解3h。用200目不锈钢筛子过滤酶解液，滤液100g离心2min，去除上清液，将沉淀置于25％蔗糖溶液中，200g离心10min，取中间墨绿色条带，用W5(2mM MES+154mMNaCl+125mM CaCl2+5mMKCl)溶液重悬，100g离心2min，去除上清液，重复1次，将所得原生质体重悬在0.4M甘露醇溶液中待用。植物原生质体放入高温炉加热前进行离心处理去掉甘露醇。
所述能催化碳低温石墨化的金属离子盐为水溶性的铁盐、钴盐、镍盐中的一种，溶于水后形成的溶液浓度为0.005-0.1mol/L，金属离子与植物细胞或植物原生质体的用量比例为0.0001-0.002:1mol/g。
所述惰性气氛为氮气、氩气、氦气中的一种。
所述酸洗中的酸性溶液为盐酸、硫酸、硝酸中的一种，烘干温度为30-80℃。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种上述方法制备的超薄生物质碳。
上述超薄生物质碳的制备方法，将经悬浮培养得到的植物细胞或经酶解得到的植物原生质体加入到能催化碳低温石墨化的金属离子盐水溶液中，然后在惰性气氛保护下于高温炉中加热处理，将高温处理得到的产物经酸洗、过滤、烘干、籍由薄的植物细胞壁和细胞膜碳化得到超薄生物质碳。本发明方法工艺简单、原料来源广泛且制备简单、易于实现超薄生物质碳规模化和工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的超薄生物质碳的透射电镜图。
图2为本发明实施例2制得的超薄生物质碳的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
(1)经悬浮培养得到拟南芥细胞：取生长周期为3-4周长势良好和完整的拟南芥叶片，切成小块接种到含0.5mg/L植物生长素(2,4-D)、0.05mg/L细胞分裂素(6-BA)和1.8g/L植物凝胶的固体培养基上，置于植物组织培养室内培养1个月。然后选取生长旺盛、质地均匀、淡黄色、疏松的愈伤组织1g接种到50mL含细胞分裂素6-BA、植物生长素2,4-D和酸水解酪蛋白且pH＝5.8的液体培养基中，于120rpm、25℃下进行暗培养。每7天继代1次。制得的植物细胞悬浮于0.4M甘露醇中备用。
(2)将0.001mol的乙酸镍溶于20mL去离子水中，加入步骤(1)中经悬浮培养得到的拟南芥细胞50mL，然后再加入0.4M的甘露醇溶液50mL，轻轻搅拌。然后放入9000转/min的离心机里离心处理，去除上清液，放入瓷舟中烘干。
(3)将步骤(2)处理所得的混合物，放置于高温炉中，抽出炉中空气保持炉中真空状态，在氮气流量为30mL/min的保护气体下，以5℃/min的温度升温到300℃，保温1个小时，然后以10℃/min的温度升温到900℃，在该温度下保温2个小时。
(4)将步骤(3)所得的产物用3mol/L的盐酸处理，用去离子水清洗过滤至滤液的pH为中性，然后在50℃下烘干得到超薄生物质碳。
采用透射电子显微镜对所得超薄生物质碳进行表征，结果见图1：经悬浮培养得到的拟南芥细胞碳化后为圆形的超薄生物质碳。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于：
(1)经悬浮培养得到烟草细胞：取生长周期为3-4周长势良好和完整的烟草叶片，切成小块接种到含0.5mg/L植物生长素(2,4-D)、0.05mg/L细胞分裂素(6-BA)和1.8g/L植物凝胶的固体培养基上，置于植物组织培养室内培养1个月。然后选取生长旺盛、质地均匀、淡黄色、疏松的愈伤组织1g接种到50mL含细胞分裂素6-BA、植物生长素2,4-D和酸水解酪蛋白且pH＝5.8的液体培养基中，于120rpm、25℃下进行暗培养。每7天继代1次。制得的植物悬浮细胞悬浮于0.4M甘露醇中备用。
(2)将0.001mol的硝酸钴溶于20mL去离子水中，加入步骤(1)中经悬浮培养得到的烟草细胞50mL，然后再加入0.4M的甘露醇溶液50mL，轻轻搅拌。然后放入9000转/min的离心机里离心处理，去除上清液，放入瓷舟中烘干。
(3)将步骤(2)处理所得的混合物，放置于高温炉中，抽出炉中空气保持炉中真空状态，在氩气流量为30mL/min的保护气体下，以5℃/min的温度升温到300℃，保温1个小时，然后以10℃/min的温度升温到900℃，在该温度下保温2个小时。
(4)将步骤(3)所得的产物用3mol/L的硝酸处理，用去离子水清洗过滤至滤液的pH为中性，然后在40℃下烘干得到超薄生物质碳。
采用透射电子显微镜对所得超薄生物质碳进行表征，结果见图2：经悬浮培养得到的烟草细胞碳化后为带状的超薄生物质碳。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于：
(1)经酶解得到拟南芥原生质体：待植物生长到3-4周时，取伸展、完整的拟南芥叶片(5-8真叶)，用刀片切成1mm左右的细丝，置于酶解液中，25℃、110rpm黑暗酶解3h。用200目不锈钢筛子过滤酶解液，滤液100g离心2min，去除上清液，将沉淀置于25％蔗糖溶液中，200g离心10min，取中间墨绿色条带，用W5(2mM MES+154mMNaCl+125mM CaCl2+5mMKCl)溶液重悬，100g离心2min，去除上清液，重复1次，将所得原生质体重悬在0.4M甘露醇溶液中待用。
(2)将0.0015mol的硝酸钴溶于20mL去离子水中，加入步骤(1)中经酶解得到的拟南芥原生质体50mL，然后再加入0.4M的甘露醇溶液50mL，轻轻搅拌。然后放入9000转/min的离心机里离心处理，去除上清液，放入瓷舟中烘干。
(3)将步骤(2)处理所得的混合物，放置于高温炉中，抽出炉中空气保持炉中真空状态，在氮气流量为30mL/min的保护气体下，以5℃/min的温度升温到400℃，保温2个小时，然后以10℃/min的温度升温到800℃，在该温度下保温1.5个小时。
(4)将步骤(3)所得的产物用3mol/L的硝酸处理，用去离子水清洗过滤至滤液的pH为中性，然后在50℃下烘干得到超薄生物质碳。
实施例4
实施例4与实施例1的不同之处在于：
(1)经酶解得到烟草原生质体：待植物生长到3-4周时，取伸展、完整的烟草叶片(5-8真叶)，用刀片切成1mm左右的细丝，置于酶解液中，25℃、110rpm黑暗酶解3h。用200目不锈钢筛子过滤酶解液，滤液100g离心2min，去除上清液，将沉淀置于25％蔗糖溶液中，200g离心10min，取中间墨绿色条带，用W5(2mM MES+154mMNaCl+125mM CaCl2+5mMKCl)溶液重悬，100g离心2min，去除上清液，重复1次，将所得原生质体重悬在0.4M甘露醇溶液中待用。
(2)将0.0015mol的硝酸铁溶于20mL去离子水中，加入步骤(1)中经酶解得到的烟草原生质体50mL，然后再加入0.4M的甘露醇溶液50mL，轻轻搅拌。然后放入9000转/min的离心机里离心处理，去除上清液，放入瓷舟中烘干。
(3)将步骤(2)处理所得的混合物，放置于高温炉中，抽出炉中空气保持炉中真空状态，在氦气流量为30mL/min的保护气体下，以5℃/min的温度升温到400℃，保温1个小时，然后以10℃/min的温度升温到1000℃，在该温度下保温2个小时。
(4)将步骤(3)所得的产物用3mol/L的盐酸处理，用去离子水清洗过滤至滤液的pH为中性，然后在60℃下烘干得到超薄生物质碳。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种超薄生物质碳的制备方法，其特征在于包括步骤为：
(1)经悬浮培养得到植物细胞或经酶解得到植物原生质体；
(2)将能催化碳低温石墨化的金属离子盐溶于水形成溶液后，加入到步骤(1)得到的植物细胞或植物原生质体中；
(3)将步骤(2)所得混合物在惰性气氛保护下于高温炉中加热处理，加热处理温度为200-1000℃，保温时间为1-20小时；
(4)将步骤(3)所得产物经酸洗、过滤、烘干，即得到超薄生物质碳。
2.根据权利要求1所述的一种超薄生物质碳的制备方法，其特征在于，步骤(1)经悬浮培养得到所需植物细胞的具体步骤为：
取生长周期为3-4周长势良好和完整的植物叶片，切成小块接种到含0.5mg/L植物生长素2,4-D、0.05mg/L细胞分裂素6-BA和1.8g/L植物凝胶的固体培养基上，置于植物组织培养室内培养1个月；然后选取生长旺盛、质地均匀、淡黄色、疏松的愈伤组织1g接种到50mL含细胞分裂素6-BA、植物生长素2,4-D和酸水解酪蛋白且pH＝5.8的液体培养基中，于120rpm、25℃下进行暗培养，每7天继代1次，制得的植物细胞悬浮于0.4M甘露醇中备用。
3.根据权利要求1所述的一种超薄生物质碳的制备方法，其特征在于，步骤(1)经酶解得到所需植物原生质体的具体步骤为：
待植物生长到3-4周时，取伸展完整的真叶5-8片，用刀片切成1mm宽的细丝，置于酶解液中，25℃、110rpm黑暗酶解3h；用200目不锈钢筛子过滤酶解液，滤液100g离心2min，去除上清液，将沉淀置于25％蔗糖溶液中，200g离心10min，取中间墨绿色条带，用组成为2mMMES+154mMNaCl+125mM CaCl2+5mMKCl的W5溶液重悬，100g离心2min，去除上清液，重复1次，将所得原生质体重悬在0.4M甘露醇溶液中待用。
4.根据权利要求1所述的一种超薄生物质碳的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述能催化碳低温石墨化的金属离子盐为水溶性的铁盐、钴盐、镍盐中的一种，溶于水后形成的溶液浓度为0.005-0.1mol/L，金属离子与植物细胞或植物原生质体的用量比例为0.0001-0.002:1mol/g。
5.根据权利要求2或3所述的一种超薄生物质碳的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)之前对植物细胞或植物原生质体进行离心处理去掉甘露醇。
6.根据权利要求1所述的一种超薄生物质碳的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述惰性气氛为氮气、氩气、氦气中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种超薄生物质碳的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述酸洗中的酸性溶液为盐酸、硫酸、硝酸中的一种，烘干温度为30-80℃。
8.一种权利要求1－7所述方法制备的超薄生物质碳。
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