[发明专利]一种改性增强碳基材料固定化的方法及应用

说明书

本发明属于碳基材料改性领域，公开了一种改性增强碳基材料固定化的方法及应用。所述制备方法为：取一定体积的去离子水，加入糖或生物质原料，再加入强酸或中强酸为催化剂，混合均匀，然后加入适量的碳基材料，将其置于反应釜中，在一定温度下反应一定时间后，在碳基材料表面形成一层粗糙的碳层。本发明制备的改性碳基材料载体具有表面粗糙、亲水性强、活性官能团含量丰富等优点。实验测得经改性后的碳基材料的含氧官能团含量增加；比表面积增加了63‑103%；接触角减小了15‑30%；在固定化酶或固定化多酶系统中，重复使用5‑7次后，酶的活力仍可保留65‑80%。

技术领域

本发明涉及碳基材料改性领域，具体涉及一种改性碳基材料的方法及其在固定化中的应用。

背景技术

常见的碳基材料种类丰富多样，例如活性炭、碳纤维、石墨烯、碳纳米管等因其具有高强度，高密度，高硬度，化学稳定性，大的比表面积，丰富的孔径和生物相容性等优良性质，而在农业、环境保护、储能、催化、医疗等领域应用广泛。

近年来，碳基材料因碳具有良好的生物相容性而在固定化酶和固定化细胞领域具有广阔的发展前景。为了更好地实现碳基材料优良性能的发挥，人们采取了多种方法对其进行改性处理：氧化、接枝、等离子体处理、复合等。这些方法具有良好的改性效果，但可能消耗大量的酸碱或有机试剂对环境造成较大污染，除此之外，有些改性方法对设备要求较高，限制了改性方法的应用。

目前利用酸催化糖或生物质对碳基材料进行表面改性的相关研究及报道较少。在高温高压条件下，糖或生物质原料在水溶液中发生化学反应，可以生成微米级碳球负载于碳基材料表面形成一层粗糙的碳层，有利于增加碳基材料表面的比表面积，为酶提供更多的吸附位点。酸的催化促进来了糖或生物质原料的碳化效率，使碳球收率增加较快。同时，碳层的形成使碳基材料的表面活性官能团含量提高，亲水性增加，从而可以实现固定化性能的高效发挥。此外，当酸催化玉米芯等生物质改性碳基材料时，不仅可以解决农林废弃物堆积造成的环境污染，还可以实现生物质资源的有效利用，具有一定的社会效益和经济价值。

表1总结了部分相关的文件和专利，但与本申请存在显著区别：

表1部分公开文件或专利与申请文件的区别

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的问题是提供一种改性碳基材料的方法，以增加其表面粗糙度、比表面积、亲水性及活性官能团含量，进而充分发挥其固定化性能。

一种改性增强碳基材料固定化的方法及应用，具体步骤如下：

取一定体积的去离子水，加入糖或生物质原料10-100(g/L去离子水)，再加入适量浓度为30-98％的强酸或中强酸为催化剂，混合均匀，然后加入碳基材料0.1-40(g/L去离子水)，将其置于反应釜中，在100-300℃下反应1-10h后，取出过滤，然后对废液进行回收处理，并用适量去离子水将改性碳基材料清洗干净后烘干用于固定化酶。

改性碳基材料的固定化应用：

进一步，所述碳基材料包括活性炭、碳纤维、石墨烯、碳纳米管等材料，其中，活性炭包括木质活性炭、果壳活性炭、矿物原料活性炭、合成树脂活性炭等；碳纤维包括聚丙烯腈基碳纤维、黏胶基碳纤维或沥青基碳纤维等；石墨烯包括氧化石墨烯等；碳纳米管包括单壁碳纳米管或多壁碳纳米管等。

进一步，所述碳基材料为过20-150目的颗粒、粉状或长度为0.3-100cm的纤维状材料。

进一步，所述糖为葡萄糖、果糖、蔗糖、乳糖、淀粉、纤维素、玉米芯、稻草等单糖、双糖、多糖或生物质原料。

进一步，所述生物质原料应经过粉碎处理，过20-100目，且加入后能够将碳基材料包裹完全。

进一步，所述酸为硫酸、硝酸、盐酸、高氯酸、氢碘酸、氢溴酸、氢氟酸、磷酸等强酸或中强酸，酸与去离子水的比例为0.5-10％。