[发明专利]一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明属于生物质材料技术领域，涉及自组装花状二氧化钛材料，尤其涉及一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶及其制备方法与应用；本发明在生物质碳气凝胶表面原位组装一层二氧化钛纳米棒，形成以生物质碳纤维为核，二氧化钛纳米棒为壳的生物质碳气凝胶，具有多级孔结构和超疏水性能；所述的自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶具有低密度、孔结构丰富、比表面积大、吸油倍率高和可循环使用等特点；本发明所述制备方法工艺简单、可操作性强、绿色环保无污染成本低廉，能够有效控制生物质碳材料的表面结构和表面润湿性能，在油水分离和有机污染治理方面有着重要的应用价值。

技术领域

本发明属于生物质材料技术领域，涉及自组装花状二氧化钛材料，尤其涉及一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

碳气凝胶（炭气凝胶），是一类具有独特三维网状结构和性能的多孔碳材料，具有多级孔结构、低密度、高比表面积和低热导率等特性，在能源材料、油水分离、和污染控制领域面临诸多研发与应用机遇。

现有技术中，碳气凝胶多为石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶或由高分子材料经高温裂解成多孔碳气凝胶，其制备工艺复杂、生产成本高，高分子材料合成和裂解的过程中，易产生污染，极大地限制了碳气凝胶的产业化发展。可再生生物质材料是世界上储碳量最为丰富的资源，由于其来源广泛易获得、成本低廉、含碳丰富等特点可作为一种优良的多孔碳材料前驱体；目前，利用可再生生物质材料作为前驱体制备碳材料，从而生产对人体和环境无害，可降解、价廉的生物质碳气凝胶是倍受关注的研究方向。

生物质碳气凝胶的性能主要由其孔结构和表面化学性质决定，而目前所制备的生物质碳气凝胶多以纯生物质碳气凝胶为主，结构单一，大大的限制了碳气凝胶的广泛应用，因此亟需发展具有纳米功能的生物质碳气凝胶；若能把一些功能纳米尺寸的材料原位生长在生物质碳气凝胶表面，可增加生物质碳气凝胶的比表面积和孔结构，使其具有纳米特性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，更好地利用周边生物质资源，本发明的目的是提供一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶材料及其制备方法与应用。

一方面，本发明提供了一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶材料，该材料在生物质碳气凝胶表面原位组装一层二氧化钛纳米棒，形成以生物质碳纤维为内核，二氧化钛纳米棒为外壳的生物质碳气凝胶，具有多级孔结构和超疏水性能；所述材料具有二氧化钛纳米花结构，材料直径为5～15μm，长度大于30μm，外壳二氧化钛纳米棒长为0.5～3μm。

另一方面，本发明简化二氧化钛纳米棒的自组装花状方法，提供了自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

a.二氧化钛生物质碳气凝胶的制备：

（1）生物质碳气凝胶加入浓硝酸溶液中，置于烘箱内反应后分别用蒸馏水和乙醇洗涤烘干，得活化后生物质碳气凝胶；

（2）将钛酸异丙酯加入到盐酸溶液中，配制成二氧化钛前驱体溶液；将活化后生物质碳气凝胶加入到二氧化钛前驱体溶液中，置于烘箱内反应后分别用蒸馏水和乙醇洗涤，烘干，得二氧化钛生物质碳气凝胶；

b．二氧化钛生物质碳气凝胶的疏水改性

将上述步骤a中所制得二氧化钛生物质碳气凝胶于氢气氛围中热解，得到具有疏水性的二氧化钛生物质碳气凝胶。

上述步骤a（1）中所述的浓硝酸的浓度为65～68wt%，生物质碳气凝胶和浓硝酸溶液的用量比为1g：0.5～5mL。

上述步骤a（2）中所述的二氧化钛前驱体溶液为每100mL盐酸溶液中加入1～3g钛酸异丙酯，所述盐酸浓度为5～8M。

上述步骤a（2）中所述的活化后生物质碳气凝胶与二氧化钛前驱体溶液的用量比为1：0.3～0.7。