[发明专利]耐酸碱自组装叠层结构的二氧化锰纳米线气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明属于气凝胶制备技术领域，涉及一种耐酸碱自组装叠层结构的二氧化锰纳米线气凝胶，由单分散的二氧化锰纳米线相互交联而成的三维网络状，其中二氧化锰纳米线相互交联呈现叠层结构，分布均匀，形貌一致，直径10～50 nm，长度不低于10μm。本发明还公开了其制备方法及应用于油水分离的吸附材料。本发明所公开的二氧化锰纳米线气凝胶，组成和结构可控，表面粗糙，柔韧性好，适应于极端环境。本发明利用水热法制备的二氧化锰纳米线表面具有大量的羟基，有助于彼此之间相互交联；交联剂的添加，使得单分散的二氧化锰纳米线之间具有更强的相互作用力，更好的自组装成三维叠层结构；通过气相沉积使其表面硅烷化，具有超疏水性能和优秀的吸油性能。

技术领域

本发明属于气凝胶制备技术领域，涉及二氧化锰纳米线气凝胶的制备，尤其涉及一种耐酸碱自组装叠层结构的二氧化锰纳米线气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

气凝胶是一种微孔或纳米孔可控、孔隙率高、密度极低、比表面积小的固体材料，其三维网络中充满气体代替液体。这些独特的性能使其广泛应用于隔热、隔音、超级电容器、微波吸收、光学轻量化、化学和生物分离等领域。近年来，具有优良吸附性能的多孔气凝胶因其吸油速度快、吸油效果优良，在油水分离中开始发挥不可替代的作用。目前报道的气凝胶包括石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶、硅气凝胶、有机气凝胶、生物质气凝胶等。石墨烯和碳纳米管气凝胶由于稳定的机理性能、发达的孔隙度和良好的可回收性，在油水分离中得到了广泛的应用，但石墨烯和碳纳米管气凝胶成本高、工艺复杂，限制了其实际应用。此外，现有的硅气凝胶和有机气凝胶由于结构不稳定、结构脆弱、机械稳定性不理想，在化学分离中吸收性能较差。因此，开发成本低、密度超轻、灵活性好、操作简单的多孔气凝胶，为化学分离提供可应用的技术是十分必要的。

为了进一步提高气凝胶的性能，一些研究小组利用生物质纤维的交错结构制备多孔生物质气凝胶，原因如下:(1)具有良好的弹性力学性能，(2)规模化生产，(3)低成本和丰富的前驱体材料。例如一些研究报道了通过冷冻干燥和碳化过程从剑麻叶子中提取的超轻弹性碳纤维气凝胶的制备，CF气凝胶互联的三维网络结构为输送和储存吸附的油提供了通道。为了提高表面润湿性，还有研究报道了在CF气凝胶表面原位生长TiO₂纳米棒制备混合气凝胶的方法。所报道的混合气凝胶具有许多优良的性能，但仍存在机械耐久性差、性能脆弱等缺点，严重阻碍了其在高温、强酸等极端环境中的应用。此外，制备过程较为复杂，涉及多步操作。因此，如何同时设计出吸附性好、制备简单、对极端环境条件具有良好稳定性的功能性气凝胶材料是一个具有挑战性的课题。

MnO₂纳米线是传统的一维材料，具有高结晶度和高分散性，拥有良好的力学性能和耐化学性能，是制备三维多孔材料的理想前驱体。由于MnO₂纳米线的高纵横比，许多研究都集中在以单分散MnO₂纳米线作为构建块制备多孔膜材料，以及通过MnO₂纳米线与其他构建块的交联设计混合纳米线膜材料。在这方面，曾经有研究报道了通过真空过滤法制备了一种柔性多壁碳纳米管/超长MnO₂纳米线混合膜，该膜具有良好的可回收性、防污性和良好的机械和化学稳定性。MnO₂纳米线的成膜性能表明，它可以自组装成一维结构的三维网络形貌。此外，一些研究理论表明棒状结构在适当的浓度下容易发生缠结和自组装形成溶胶。然而，由于单分散二氧化锰纳米线之间的作用力较弱，耐酸碱耐碱纳米线不能很好地交联。考虑到MnO₂纳米线表面有羟基，可以引入有机化合物环氧氯丙烷增强纳米线之间的交联。因此，MnO₂表面的羟基与环氧氯丙烷相互作用，形成新的化学键，使纳米线交联形成气凝胶。这使得MnO₂纳米线可以在溶液中自组装成三维网状结构凝胶，然后冷冻干燥得到三维叠层结构的MnO₂纳米线气凝胶。更重要的是，三维叠层结构的MnO₂纳米线气凝胶不仅具有金属氧化物的特性，还有比表面积高、超轻、孔隙率高的特点。因此，有必要以二氧化锰纳米线为原料制备具有良好力学性能和化学稳定性的二氧化锰纳米线。

发明内容