[发明专利]一种均匀负载碳质颗粒的碳纳米纤维复合材料及其应用

说明书

发明公开了一种均匀负载碳质颗粒的碳纳米纤维复合材料，包括聚酰亚胺基碳纳米纤维和环糊精基碳质颗粒，所述环糊精基碳质纳米颗粒均匀负载在聚酰亚胺基碳纳米纤维上。还包括一种均匀负载碳质颗粒的碳纳米纤维复合材料的应用。本发明提供了一种制备简单和高吸附性能的复合纳米碳材料，合成的复合材料相比于传统的碳纤维具有更高的比表面积、更丰富的孔结构和更多的吸附位点，提升水体中微污染物的去除性能。纤维结构稳定，可以重复回收利用，在水体有机污染物处理方面具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及碳纳米纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种均匀负载碳质颗粒的碳纳米纤维复合材料及其应用。

背景技术

水体质量问题已经严重威胁到人类的生存及发展，通常水体中的有机污染物含量较少，但对人类的健康有着巨大的毒害作用。这类有机污染物化学性质极其稳定，无法被生态环境降解，随着在生物体中迁移并在自然环境中不断富集，对生态环境和人体健康造成严重的影响。去除水体有机污染物有很多不同的方法，如：生物处理、高级氧化法、电化学法、吸附法。其中吸附法是一种经济有效，操作简便且无高毒性副产物生成的方法。吸附法的效果主要受吸附材料性能的影响。在众多吸附材料中，碳纳米纤维因其具有较大的比表面积以及丰富的孔隙结构，是一种具有高吸附性能的吸附材料。然而，众多碳纳米纤维的孔隙结构主要由微孔组成，介孔含量较少，不利于吸附水体中分子尺寸较大的污染物。

以聚酰亚胺基碳纳米纤维为模板，它的纳米尺寸的丝状结构为环糊精基碳质纳米颗粒提供了大量的空间位点，环糊精基碳质纳米颗粒均匀地分布在聚酰亚胺基碳纳米纤维表面上，形成具有高比表面积和高孔隙率的多孔碳质复合材料。由于其表面含有大量的活性吸附位点，从而实现对水体中有机污染物的定向有效去除。选择聚酰亚胺作为碳纳米纤维的前驱体。聚酰亚胺主链上含有酰亚胺环，作为一种新型工程材料，其具有优异的电绝缘、耐高/低温、耐腐蚀、高模量等的独特性质在众多先进领域得到广泛应用。另外，聚酰亚胺碳化后的炭产量高，炭化方法简单，是一种优良的碳纳米纤维前驱体。然而电纺聚合物基碳纤维存在一些缺陷。通常碳纳米纤维由于孔隙率的限制含有大量微孔结构，含有的介孔结构较少，只能用于小分子污染物的去除，对大分子有机污染物的去除效率不高。考虑到碳纳米纤维的不足，我们将碳纳米颗粒负载至纤维表面上，不仅提高原纤维的比表面积而且增大了其孔隙率。合成的复合材料相比于传统的碳纤维具有更高的比表面积、更丰富的孔结构和更多的吸附位点，提升水体中微污染物的去除能力，从而推动功能化水处理材料的结构设计和优化。另外，本发明所用原料(均苯四甲酸二酐、4,4-二氨基二苯醚、环糊精)都比较廉价、所用到的合成工艺和处理手段简单；且对有机污染物的处理效果明显。相比于市场上用的较多的分子筛、沸石类吸附剂具有自身独特的优势，具备很好的应用前景。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于吸附水体中有机污染物、具有高比表面积及大量介孔结构的均匀负载碳质颗粒的碳纳米纤维复合材料及其应用。

本发明的实施例提供一种均匀负载碳质颗粒的碳纳米纤维复合材料，包括聚酰亚胺基碳纳米纤维和环糊精基碳质纳米颗粒，所述环糊精基碳质纳米颗粒均匀负载在聚酰亚胺基碳纳米纤维上。

进一步，所述聚酰亚胺基碳纳米纤维由以下原料制成：均苯四甲酸二酐、4,4-二氨基二苯醚、N,N-二甲基甲酰胺。

一种均匀负载碳质颗粒的碳纳米纤维复合材料的制备方法，以聚酰亚胺基碳纳米纤维为模板，通过水热法将环糊精基碳质纳米颗粒负载至聚酰亚胺基碳纳米纤维上，最后通过高温煅烧，即得到均匀负载碳质颗粒的碳纳米纤维复合材料。

进一步，包括以下步骤：

S1.制备聚酰亚胺基碳纳米纤维；

S2.将聚酰亚胺基碳纳米纤维浸入环糊精水溶液中；

S3.将步骤S2得到的溶液放入水热反应釜中，在180℃下持续水热反应12h；

S4.将步骤S3反应后的产物用乙醇溶液洗涤；