[发明专利]一种内嵌银纳米颗粒碳微球的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有特殊形貌、内嵌银纳米颗粒的生物质碳微球的制备方法，特别是涉及一种金属-碳复合材料的制备方法。

背景技术

因为工业化进程和社会发展，世界上很多国家都面临着大气污染这一严峻问题，自十九世纪三十年代至今，雾霾肆虐近百年，英国，俄罗斯，墨西哥，印度，巴西等许多国家都曾经或正在面临着雾霾这一严峻问题。近年来，中国多地区多次爆发大规模雾霾天气，近七分之一的国土被雾霾“吞噬”，20个城市陷入重度及以上大气污染，这引起了广泛的关注。雾霾是大量人为排放的污染物在特定气象条件下积聚造成的，高浓度的细颗粒物（粒径小于或等于2.5μm的颗粒物，简称为PM2.5）或气溶胶污染是雾霾的根本成因。根据报道，气溶胶粒子可对人体呼吸系统、心血管系统、免疫系统、生殖系统、神经系统、和遗传系统产生有害影响；有关方面科学家对北京雾霾空气中的微生物进行了鉴定，发现其中约有1300种微生物，且部分已知物种会引发人类的过敏和肺部疾病。因此，研究开发一种具有良好吸附及抗菌性能的复合材料，将有望用于新型雾霾防护用具的开发利用。

碳微球是一种具有规整的球形结构以及良好的导热导电性能和热稳定性的碳材料，其表面含有大量的羧基、羟基等活性含氧官能团，能与多种分子、离子以及其它官能团结合形成新型功能碳材料，是一种性能优良的载体和吸附剂。目前常以煤、合成树脂、沥青等为原料，采用液相法和气相化学沉积法制备碳微球，但这些方法有着成本高、工艺复杂、工业化困难等不足。近期研究表明，采用生物质水热碳化技术，可得到尺寸均一、形貌较好的碳微球。同时，制备碳微球所采用的原料已经由单糖、多糖、呋喃等纯碳水化合物逐渐扩展至废弃生物质，如：果壳、树叶、虾壳等。制备手段上，相对高温高压的水热气化和水热液化相比，水热碳化所需温度和压力都较低，具有条件相对温和，节能、清洁、绿色等优点，与废弃生物质的高值化利用相结合，极符合我国目前低碳环保的要求。

银离子和含银化合物可以杀死或抑制细菌、病毒、藻类和真菌，具有广谱的抗菌效果，又被称为亲生物金属，因此，纳米银常被用作抗菌材料。传统的纳米银颗粒的制备方法主要有物理法和化学法，如电子束蒸发沉积法、光催化还原法、溶剂热还原法等，这些方法各有优缺点。其中溶剂热还原法具有设备简单、操作方便、能耗相对较低、原料相对廉价易得、制得的纳米银产率高、纯度高、结晶良好、颗粒大小和形状可控等诸多优点。

银纳米颗粒除了具有良好的抑菌、杀菌效果外，还可以用于催化甲烷氨氧化制备氢氰酸反应、二烯烃的选择性加氢制单烯烃反应、乙烯选择性氧化制环氧乙烷反应、甲醇选择性氧化制甲醛反应等。此外，银纳米颗粒在继承电路、制备染料电池、化学电池和光化学电池中也有着重要的应用。

文献报道了一些载银碳材料(Appl. Surf. Sci. 2014, 292: 480-487; Appl. Surf. Sci. 2008, 255:435-438; CN 103548875 B)以及碳包银核壳结构复合材料(Langmuir. 2005, 21, 6019-6024)的制备，其产物可以有效抑制细菌粘附和生长，但目前仍存在许多不足：如器械、原材料昂贵，载体上金属纳米颗粒负载量小、分散性差、易脱落，有机试剂的引入导致材料具有一定的生物毒性等。本发明以农林废弃物——油茶果壳为原料，通过水热法制备碳微球载体；以硝酸银为银源，碳微球为载体，通过溶剂热法或水热法制备内嵌银纳米颗粒的碳微球。本发明方法中原料价廉易得，实现了农林废弃物的高值化开发利用；制备方法为水热法或溶剂热法，方法简便易行，制备过程中可实现不引入有毒有机溶剂，降低了材料的生物组织毒性，有望应用于医用生物材料；制备出的银纳米颗粒纯度较高，晶型好；制备得到的内嵌银纳米颗粒碳微球载银量大，碳球表面及内部均负载有银纳米颗粒且粒径较均匀，分散性好；封装在碳微球内部的银纳米颗粒由于外包碳从而避免了银纳米颗粒在空气中氧化，这种封装特性有望用于解决一些金属颗粒在纳米尺寸时易被氧化的问题，进一步拓展不稳定的纳米材料的实际应用空间；文献报道 (Appl. Mater.Interfaces. 2015, 7: 10634-10640) 一种使用热解碳对水体中银离子进行吸附并使用热解碳表面的羟基、羧基等官能团对银离子进行原位还原固定的方法，本发明中使用的水热碳微球表面具有大量羟基、羧基、羰基等官能团，有望将水体中银离子的去除与内嵌银纳米颗粒碳微球的制备相结合，降低制备成本；本方法有望用于更多内嵌金属纳米颗粒 (如：Au、Pt、Pd等) 碳微球的制备。

发明内容