[发明专利]一种中空结构的碳/二氧化锰复合纳米纤维的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种中空结构的碳/二氧化锰复合纳米纤维的制备方法及其应用，该复合纳米纤维吸附膜是通过静电纺丝技术和水热法相结合制备的，首先通过静电纺丝技术及后煅烧方法制备柔性的碳纳米纤维膜，然后以柔性的碳纳米纤维膜作为前驱体模板，通过水热反应过程将柔性的碳纳米纤维膜转变为碳/二氧化锰复合纳米纤维膜。制备的复合纳米纤维膜其纤维长而连续、纤维膜具有良好的机械强度，可以避免应用过程中二氧化锰纳米粒子的团聚问题、并且使用过后较易分离回收，最大限度提高二氧化锰材料的操作性和实际应用性。本发明得到的具有中空结构的碳/二氧化锰复合纳米纤维膜在对水中重金属离子吸附应用方面有非常好的应用前景。

技术领域

本发明属于环境纳米新功能材料技术领域，具体涉及一种具有多级结构的二氧化锰修饰的具有中空结构的碳纳米纤维及其制备方法以及在重金属离子吸附中的应用

背景技术

随着电子、化工、机械制造和采矿等全球工业活动的迅速增加，废水中重金属污染问题已引起世界各国的广泛关注。近年来，纳米金属氧化物吸附剂已被广泛用于去除污水中重金属离子(铜、铅、锌、锡、镍、钴、铬、钴等)，这些纳米粒子包括铁氧化物(Fe₂O₃)、铝氧化物(Al₂O₃)、铈氧化物(CeO₂)、氧化锌(ZnO)和锰氧化物(MnO₂)。与其它金属氧化物颗粒相比，超细MnO₂纳米颗粒具有大的比表面积、高效的吸附能力等优点，为多种有毒重金属离子的去除提供了有效的途径。然而，纳米MnO₂颗粒在吸附过程中由于其表面能高而倾向于团聚；此外，纳米MnO₂颗粒很容易悬浮在水中，很难与大量的水分离，限制了操作性和实际应用性。

静电纺丝是制备结构可调的连续纤维膜的一种有效方法。所制得的纳米纤维膜具有比表面积高、孔隙率高、纤维间孔尺寸小等优点，可为吸附过程提供更多的吸附位点。采用静电纺丝技术可以制备多种类型的复合纳米纤维吸附剂，制备的电纺纤维具有较好的柔韧性和机械强度，同时复合吸附剂可以很容易地从溶液中分离出来。复合纳米纤维膜材料解决了上述的纳米材料存在的问题，可以推进纳米材料的进一步应用。

基于以上背景介绍，本发明提出一种具有中空结构的碳/二氧化锰复合纳米纤维的制备方法。首先通过静电纺丝技术及后煅烧方法制备柔性的碳纳米纤维膜，以柔性的碳纳米纤维膜作为前驱体模板，通过简单水热反应过程制备而成。反应原理是由碳作为还原剂还原KMnO₄。当碳纳米纤维接触KMnO₄溶液时，在碳纤维表面形成MnO₂纳米晶，碳纳米纤维经过氧化还原反应消耗逐渐形成空心结构。在水热过程中，纳米晶MnO₂将作为活性成核中心，随着水热温度的升高，反应物KMnO₄按当量分解为MnO₂，不断沉积在成核中心逐渐形成二氧化锰纳米片均匀覆着在具有空心结构的碳纳米纤维表面。制备的复合纳米纤维膜可以避免在使用过程中纳米粒子的团聚问题、并且使用过后可以较易分离回收。此外，通过改变水热反应条件，得到的具有中空结构的碳/二氧化锰复合纤维膜中碳与二氧化锰的质量比不断改变，极大丰富了材料的结构类型。由于二氧化锰本身的物理化学性质以及纳米纤维膜的结构特性，得到的具有中空结构的碳/二氧化锰复合纳米纤维膜在对水中重金属离子吸附应用方面有非常好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种中空结构的碳/二氧化锰复合纳米纤维的制备方法，以解决二氧化锰纳米材料在使用过程中存在纳米材料团聚以及使用过后不易分离回收的问题。同时探究所制备的复合纳米纤维膜对水中重金属离子的吸附应用。

为实现上述目的，本发明的一种中空结构的碳/二氧化锰复合纳米纤维膜的制备方法为：首先通过静电纺丝技术及后煅烧方法制备柔性的碳纳米纤维膜，以柔性的碳纳米纤维膜作为前驱体模板，通过水热反应过程将柔性的碳纳米纤维膜转变为具有中空结构的碳/二氧化锰复合纳米纤维膜。

具体制备步骤如下：