[发明专利]控释的肥料组合物及其用途

说明书

描述了控释的肥料组合物及其制备方法和用途。所述控释的肥料组合物包含具有石墨烯和碳纳米管的三维开孔网络的复合石墨烯‑碳纳米管材料和浸渍在石墨烯和碳纳米管的三维开孔网络中的肥料。

技术领域

本发明一般涉及控释的肥料组合物。控释的肥料组合物包含浸渍在复合石墨烯-碳纳米管材料中的肥料，所述材料具有石墨烯和碳纳米管的三维开孔网络。该网络可以提供用于肥料的有效温度依赖型释放的高肥料吸收和优异热导率。

背景技术

肥料广泛地应用于农业产业，为植物提供氮和必需营养物，以致估计30％至50％的农业产量可以归因于天然或合成的商业肥料。尽管如此，目前肥料的使用具有很多缺点。首先，随着现代农业越来越依赖于不可再生的肥料来源，未来的原料可能以较高价格来产生较低品质。其次，肥料在应用过程中趋于浸出或挥发，这会造成能源和资源的浪费。浸出和挥发还会造成水污染、农产品污染和温室效应。第三，不被植物吸收的不可再生肥料中的一些营养素可以渗入地下水或地表水，导致富营养化，这会对生态系统进一步施加风险。

为了提高肥料使用效率，对于开发在水中或土壤中以缓慢方式或控制方式输送植物营养物的新可再生技术的努力是广泛的。控制肥料释放的常规方法包括用相对不溶于水的膜涂覆肥料颗粒。肥料的释放由膜的渗透性控制，目的为满足贯穿整个作物生长季的氮需求，和减少由于降解、挥发和浸出的氮损失的一个应用。例如，Ko等人(“ControlledRelease of Urea from Rosin-Coated Fertilizer Particles”,Industrial&Engineering Chemistry Research,1996,35:250-7)描述了使用松香涂覆的尿素颗粒用于肥料的缓释。Zhang等人(“Slow-release fertilizer encapsulated by graphene oxidefilms”,Chemical Engineering Journal 2014,255:107-13)描述了用氧化石墨烯膜涂覆的硝酸钾颗粒用于硝酸钾的缓释。Gao等人的国际专利申请第WO2015066691号描述了包含用石墨烯/氧化石墨烯/经还原的氧化石墨烯薄膜涂覆的肥料颗粒的缓释肥料组合物。

涂覆肥料颗粒的其他尝试包括将肥料封装在水溶性聚合物-碳纳米管壳或氧化石墨烯壳中。例如，Lu等人的中国专利申请CN104826340描述了微囊化的石墨烯复合材料，其使得肥料和农药在整个生长季持续稳定的释放。Changwen等人的中国专利申请CN104276877描述了将肥料封装在碳纳米管改性的基于水的聚合物复合涂覆壳中。

由于涂层或壳不可控的分解或降解，经涂覆和封装的肥料颗粒受到损害，导致肥料不受控地释放到环境(例如土壤、水等)中。由于植物根系不能快速吸收所有释放的肥料，肥料可以发生挥发或降解，导致营养物损失。如上所述，开发更好的肥料利用率、减轻或消除肥料污染，同时发展可持续的高效农业的努力已很广泛。然而，许多生产的组合物为无效的和/或制备成本高。

发明内容

已取得一个发现，其提供了与经涂覆或封装的控释肥料有关的前述问题的解决方案。该解决方案的前提是在具有三维开孔网络的复合石墨烯-碳纳米管材料内浸渍肥料。特别地，三维开孔网络提供的优点为高的比表面积、优异的热导率和电导率、和/或优异的机械性能。这些优点可以使得肥料在特定的释放条件下(例如土壤的温度)从复合石墨烯-碳纳米管材料中控释或缓释，同时减少或避免目前看来与经涂覆或封装的肥料有关的降解问题。在一些实施方案中，石墨烯-碳纳米管复合材料是具有多个孔和通道的整体开孔泡沫网络。该孔和通道的三维网络相互连通，这可以进一步促进热导率。特别地，该热导率可以有效地提高来自孔和通道的三维网格的肥料的吸收和释放。提高的热导率提供可以由土壤环境温度调节的肥料释放的有效控制。本发明的肥料组合物优点包括(1)高肥料含量，基于控释的肥料组合物的总重量，包含10重量％至95重量％的肥料，和/或(2)肥料在土壤中受控和稳定的释放，优选在距土壤表面至少2厘米(cm)深度的土壤中，或最优选在距土壤表面5cm至12cm深度的土壤中。