[发明专利]一种中空分级核壳结构生物质碳气凝胶及制备方法与应用

说明书

本发明属于生物质材料技术领域，涉及一种中空分级核壳结构生物质碳气凝胶及制备方法与应用；本发明采用绿色无污染的生物质纤维素材料作为原料，通过溶胶凝胶法和原位生长技术在其表面构造分级核壳结构；生物质纤维素表面依次包覆二氧化硅和二氧化锰纳米片，再通过刻蚀和表面改性获得中空分级核壳结构生物质碳气凝胶；本发明具有绿色环保无污染，成本较低，工艺简单和可操作性强等优点，在化工分离领域具有一定的实用价值。

技术领域

本发明属于生物质材料技术领域，涉及中空分级核壳结构生物质材料，尤其涉及一种中空分级核壳结构生物质碳气凝胶及制备方法与应用。

背景技术

石油是一种重要的自然资源，它极大地提高了人类的生活质量。然而，石油开采和运输过程中频繁发生的溢油事故，给海洋生态系统带来灾难性的影响；同时，工业化进程的不断加快，化工厂排放出的废水，含有大量的有机溶剂，严重损害了周边居民的生活环境。

传统的碳气凝胶，例如石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶和碳纤维气凝胶等，使用石墨烯、碳纳米管和碳纤维作为前驱体，一方面其价格昂贵，另一方面制备过程繁琐，在制备过程中易产生对环境非常有害化学物质，严重制约了碳气凝胶的实际应用。而生物质是地球上储量最丰富的可再生资源，将生物质资源高效转化及利用，不仅可以减少环境污染，同时还可以降低对化石能源的依赖。因此，寻求经济适用、来源丰富的前驱体物质并采用环境友好的处理手段制备碳气凝胶，在材料化学领域受到广泛的关注。

目前，利用生物质作为碳源制备的生物质碳气凝胶大多数是纯碳气凝胶，由于自身结构导致生物质碳气凝胶结构易碎，而不利于通过简单挤压实现油水分离，从而限制了其性能的发挥；核壳结构生物质碳气凝胶材料整合了生物质碳、气凝胶和其他纳米材料的性质，并互相补充各自的不足，在环境、能源、光电和及化工分离方面有着广泛的应用前景。现有技术中，核壳结构材料多为纳米材料，通过化学键或其他作用力将一种纳米材料包覆在另一种纳米材料表面，形成纳米尺度的有序组装结构；而以生物质碳气凝胶为基体，利用包覆和原位组装技术，制备中空分级核壳结构生物质碳气凝胶还未见有文献报道。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供具有中空分级核壳结构的生物质碳气凝胶材料及其制备方法及应用。

一方面，本发明提供一种中空分级核壳结构的生物质碳气凝胶材料，该材料具有中空的核壳结构，内核直径为3～7μm的生物质碳纤维，二氧化锰纳米片有序包裹在内核外形成外壳结构，内核与外壳之间中空，形成微纳分级结构。

另一方面，本发明提供了中空分级核壳结构的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.二氧化硅包覆生物质纤维素气凝胶的制备：

生物质纤维素分散在去离子水、乙醇和氨水中形成纤维素分散液；正硅酸四乙酯滴入上述纤维素分散液中，搅拌后过滤、清洗，烘干，得二氧化硅包覆生物质纤维素；将二氧化硅包覆生物质纤维素分散在去离子水中，磁力搅拌后形成分散均一溶液，冷冻干燥后得到二氧化硅包覆生物质纤维素气凝胶；

b.中空分级核壳结构的生物质碳气凝胶的制备：

(1)将上述步骤a中所得的二氧化硅包覆生物质纤维素气凝胶于惰性气体氛围中热解得到二氧化硅生物质碳气凝胶；

(2)将二氧化硅生物质碳气凝胶加入到高锰酸钾溶液中，混合均匀后，转移至反应釜中，进行水热反应，过滤，分别用水与乙醇清洗，烘干，得到二氧化锰包覆二氧化硅生物质碳气凝胶；

(3)将二氧化锰包覆二氧化硅生物质碳气凝胶加入到碱溶液中，30～50℃反应3～8h后，过滤、分别用水与乙醇清洗烘干，得中空分级核壳结构的生物质碳气凝胶；

c.中空分级核壳结构的生物质碳气凝胶的疏水改性：