[发明专利]一种ZnO-GO/甲壳素气凝胶复合材料的制备方法和应用

说明书

本发明提出了一种ZnO‑GO/甲壳素气凝胶复合材料的制备方法和应用，属于环保工程领域。本发明充分利用ZnO‑GO在紫外‑可见光谱范围内的光吸收性能和增强的电荷分离效率，通过水热条件下在甲壳素石墨烯混合溶液中原位生长出纳米ZnO‑GO复合催化剂，形成三维多孔的ZnO‑GO/甲壳素气凝胶复合材料。该新型复合光催化材料具备了ZnO‑GO、甲壳素水凝胶的吸附、光催化的协同作用、可重复使用和制备条件温和的优点，可应用于染料废水、酚类废水等的处理，为降低污水中高浓度有机污染物提供一种新的可见光光催化复合材料。

技术领域

本发明属于环保工程技术领域，涉及到一种ZnO-GO/甲壳素气凝胶复合材料的制备方法，及其在有机污染物光降解中的应用。

背景技术

甲壳素是一种难溶于水，溶于酸的天然高分子水凝胶是一类集吸水、保水于一体的三位网络结构的材料，广泛应用于生物工程和药物释放等领域。水凝胶具有良好的吸附能力，是一种很好的吸附材料，被应用于有机废水的吸附净化中。物理吸附方法虽然高效简单，但污染物不能完全除去，用量大，限制了它的应用。因此，将水凝胶与催化活性高的光催化剂相结合，是一种非常有潜力的方法。光催化剂具有环境友好、成本低等优点被广泛应用于光催化的研究。但是单纯的光催化剂光生电子-空穴对的快速复合是其催化性能的主要限制因素之一。

将光催化剂与氧化石墨烯(GO)复合，可获得良好的电子传输性能和巨大的比表面积，同时可以抑制石墨烯层状结构之间的团聚。石墨烯水凝胶本身具有较大的表面积，可作为吸附剂去除水中的污染物(CN 108516539 A)。此类凝胶密度超低，能够大量保持水而又不会溶于水，并且可以溶胀的三维网状纳米固态多孔聚合物材料，具有良好的导电性和导热性(CN 105749896 A)。孙等人(CN 105749896 A)报道了一种用溶剂热法在溶液中合成了氧化锌/还原氧化石墨烯气凝胶，使用乙二醇作为溶剂，水热温度高达150-200℃，反应10h，存在制备条件复杂，水凝胶的孔结构不够均匀，催化剂在水凝胶中出现团聚等问题。同时，石墨烯水凝胶以石墨烯为原料，价格昂贵，限制了它的应用。

本发明设计合成石墨烯/甲壳素复合气凝胶，并原位负载ZnO-GO纳米光催化剂，极大地降低了复合材料的成本，且制备过程简单环保、具有三维多孔结构和可重复使用。

发明内容

针对现有制备工艺的不足，本发明提出一种ZnO-GO/甲壳素气凝胶复合材料的制备方法，及将该复合材料用于光降解有机染料的方法。甲壳素是一种低成本的天然生物材料，具有优异的生物相容性，生物降解性和抗菌性。将甲壳素与石墨烯结合，增强了凝胶的机械强度，引入氧化锌石墨烯纳米粒子，形成复合气凝胶。结合了三者的优点，具有多孔三维结构，从SEM表征可以看出，ZnO-GO均匀的分散在甲壳素石墨烯水凝胶中。实现亚甲基蓝的快速吸附和光催化的协同作用，可以快速有效地降解染料。

本发明提出一种ZnO-GO/甲壳素气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步，首先将GO均匀分散在蒸馏水中形成水悬液，与NaOH、尿素均匀混合，NaOH和尿素加入量为总质量的15％，且NaOH和尿素的质量比为11:4，搅拌时间为15min；之后加入甲壳素，所述甲壳素与GO的质量比不小于10，分散时间为1～5h；再通过反复“冷冻—解冻”获得GO/甲壳素溶液；

第二步，将第一步获得的GO/甲壳素溶液离心并收集上清液，将纳米ZnO-GO按照质量比0.01～0.05:1加入到收集的上清液GO/甲壳素溶液中，再加入维生素C，维生素C加入质量为GO/甲壳素溶液的10％，水热处理温度为80℃～95℃，处理时间为1～4h；水热处理后获得ZnO-GO/甲壳素复合水凝胶，再经洗涤、过滤并干燥处理，获得ZnO-GO/甲壳素复合气凝胶。

进一步地，上述第一步中“冷冻—解冻”的具体操作为：在-18～-80℃下冷冻处理4～24h，在室温下解冻处理4h，并通过三次“冷冻—解冻”处理，获得GO/甲壳素溶液。