一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶及其制备方法与应用

摘要

本发明属于生物质材料技术领域，涉及自组装花状二氧化钛材料，尤其涉及一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶及其制备方法与应用；本发明在生物质碳气凝胶表面原位组装一层二氧化钛纳米棒，形成以生物质碳纤维为核，二氧化钛纳米棒为壳的生物质碳气凝胶，具有多级孔结构和超疏水性能；所述的自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶具有低密度、孔结构丰富、比表面积大、吸油倍率高和可循环使用等特点；本发明所述制备方法工艺简单、可操作性强、绿色环保无污染成本低廉，能够有效控制生物质碳材料的表面结构和表面润湿性能，在油水分离和有机污染治理方面有着重要的应用价值。

权利要求

1.一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶材料，其特征在于：所述材料为生物质碳气凝胶表面原位组装一层二氧化钛纳米棒，形成以生物质碳纤维为核，二氧化钛纳米棒为壳的生物质碳气凝胶，具有多级孔结构；所述材料具有二氧化钛纳米花结构，材料直径为5～15μm，长度大于30μm，外壳二氧化钛纳米棒长为0.5～3μm。

2.如权利要求1所述自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a.二氧化钛生物质碳气凝胶的制备：

（1）生物质碳气凝胶加入浓硝酸溶液中，置于烘箱内反应后分别用蒸馏水和乙醇洗涤烘干，得活化后生物质碳气凝胶；

（2）将钛酸异丙酯加入到盐酸溶液中，配制成二氧化钛前驱体溶液；将步骤a（1）中得到的活化后生物质碳气凝胶加入到二氧化钛前驱体溶液中，置于烘箱内反应后分别用蒸馏水和乙醇洗涤，烘干，得二氧化钛生物质碳气凝胶；

b．二氧化钛生物质碳气凝胶的疏水改性：

将上述步骤a中所制得二氧化钛生物质碳气凝胶于氢气氛围中热解，得到具有疏水性的二氧化钛生物质碳气凝胶。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：上述步骤a（1）中所述的浓硝酸的浓度为65～68wt%，生物质碳气凝胶和浓硝酸溶液的用量比为1g：0.5～5mL。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：上述步骤a（2）中所述的二氧化钛前驱体溶液为每100mL盐酸溶液中加入1～3g钛酸异丙酯，所述盐酸浓度为5～8M。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：上述步骤a（2）中所述的活化后生物质碳气凝胶与二氧化钛前驱体溶液的用量比为1：0.3～0.7。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：上述步骤b中所述热解为以1～5℃/min速率升温至300～600℃，保温1～4h后以2～5℃/min速率降温。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：上述步骤b中所述热解为以2℃/min速率升温至400℃，保温2h后以3℃/min速率降温。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：上述步骤b中所述氢气氛围为氢气的气流量为1～5mL/s。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：上述步骤b中所述氢气氛围为氢气的气流量为3mL/s。

10.权利要求1所述自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶材料的应用，其特征在于：将所述自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶作为吸附材料，用于吸附分离废水含有的油或有机溶剂。

说明书

一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶及其制备方法与

应用

技术领域

[0001] 本发明属于生物质材料技术领域，涉及自组装花状二氧化钛材料，尤其涉及一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

[0002] 碳气凝胶（炭气凝胶），是一类具有独特三维网状结构和性能的多孔碳材料，具有多级孔结构、低密度、高比表面积和低热导率等特性，在能源材料、油水分离、和污染控制领域面临诸多研发与应用机遇。

[0003] 现有技术中，碳气凝胶多为石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶或由高分子材料经高温裂解成多孔碳气凝胶，其制备工艺复杂、生产成本高，高分子材料合成和裂解的过程中，易产生污染，极大地限制了碳气凝胶的产业化发展。可再生生物质材料是世界上储碳量最为丰富的资源，由于其来源广泛易获得、成本低廉、含碳丰富等特点可作为一种优良的多孔碳材料前驱体；目前，利用可再生生物质材料作为前驱体制备碳材料，从而生产对人体和环境无害，可降解、价廉的生物质碳气凝胶是倍受关注的研究方向。

[0004] 生物质碳气凝胶的性能主要由其孔结构和表面化学性质决定，而目前所制备的生物质碳气凝胶多以纯生物质碳气凝胶为主，结构单一，大大的限制了碳气凝胶的广泛应用，因此亟需发展具有纳米功能的生物质碳气凝胶；若能把一些功能纳米尺寸的材料原位生长在生物质碳气凝胶表面，可增加生物质碳气凝胶的比表面积和孔结构，使其具有纳米特性。

发明内容

[0005] 为了克服现有技术中存在的缺陷，更好地利用周边生物质资源，本发明的目的是提供一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶材料及其制备方法与应用。

[0006] 一方面，本发明提供了一种自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶材料，该材料在生物质碳气凝胶表面原位组装一层二氧化钛纳米棒，形成以生物质碳纤维为内核，二氧化钛纳米棒为外壳的生物质碳气凝胶，具有多级孔结构和超疏水性能；所述材料具有二氧化钛纳米花结构，材料直径为5～15μm，长度大于30μm，外壳二氧化钛纳米棒长为0.5～3μm。

[0007] 另一方面，本发明简化二氧化钛纳米棒的自组装花状方法，提供了自组装花状二氧化钛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：

[0008] a.二氧化钛生物质碳气凝胶的制备：

[0009] （1）生物质碳气凝胶加入浓硝酸溶液中，置于烘箱内反应后分别用蒸馏水和乙醇洗涤烘干，得活化后生物质碳气凝胶；

[0010] （2）将钛酸异丙酯加入到盐酸溶液中，配制成二氧化钛前驱体溶液；将活化后生物质碳气凝胶加入到二氧化钛前驱体溶液中，置于烘箱内反应后分别用蒸馏水和乙醇洗涤，烘干，得二氧化钛生物质碳气凝胶；

[0011] b．二氧化钛生物质碳气凝胶的疏水改性

[0012] 将上述步骤a中所制得二氧化钛生物质碳气凝胶于氢气氛围中热解，得到具有疏水性的二氧化钛生物质碳气凝胶。

[0013] 上述步骤a（1）中所述的浓硝酸的浓度为65～68wt%，生物质碳气凝胶和浓硝酸溶液的用量比为1g：0.5～5mL。

[0014] 上述步骤a（2）中所述的二氧化钛前驱体溶液为每100mL盐酸溶液中加入1～3g钛酸异丙酯，所述盐酸浓度为5～8M。

[0015] 上述步骤a（2）中所述的活化后生物质碳气凝胶与二氧化钛前驱体溶液的用量比为1：0.3～0.7。

[0016] 上述步骤b中所述热解为以1～5℃/min速率升温至300～600℃，保温1～4h后以2～5℃/min速率降温；优选的，上述步骤b中所述热解为以2℃/min速率升温至400℃，保温2h后以3℃/min速率降温。

[0017] 上述步骤b中所述氢气氛围为氢气的气流量为1～5mL/s；优选的，上述步骤b中所述氢气氛围为氢气的气流量为3mL/s。

[0018] 本发明的第三个目的，是利用所制备的自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶作为吸附材料，吸附分离废水含有的油或有机溶剂中的应用。

[0019] 与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

[0020] 本发明所公开的方法采用绿色无污染的生物质碳气凝胶为原料，在水热条件下，通过原位生长技术在碳气凝胶表面生长二氧化钛纳米棒并自组装成二氧化钛纳米花，可以使碳气凝胶表面构造出微纳结构，进一步调变材料表面化学性质；所制备的材料具有很好的疏水性和耐磨性，同时基于二氧化钛自身的性质也有利于提高所述自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶材料的防腐性能。

[0021] 与现有技术相比，本发明所提供的制备方法制备工艺简单，可减少其他工业原料的使用，原材料价格低廉，生产成本较低，可操作性强，适应工业化生产需求，无二次污染物产生，有利于环境的保护。

[0022] 本发明所提供的自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶可作为吸附剂实现含油废水的有效分离；实施例中以四氯化碳作为吸附对象，得到较好的吸附效果；用所述材料对油或有机溶剂废水进行处理，操作简单、吸附率高，具有很高的实用价值。

附图说明

[0023] 图1为本发明制备得到的自组装花状二氧化钛生物质碳气凝胶SEM图；

[0024] 图2为图1的局部放大图。

具体实施方式

[0025] 下面结合实施例对本发明进行详细说明，以便本领域的技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。

[0026] 本发明中涉及的有机溶剂的吸附分离实验具体如下：

[0027] 以四氯化碳为代表有机溶剂的吸附分离实验：在50mL烧杯中，加入混有四氯化碳的水溶液，再加入称量好的二氧化钛生物质碳气凝胶作为吸附剂，在室温条件下，静态吸附直至吸附饱和，将吸附材料从有机溶剂中取出，停留几秒钟以便滤去多余的四氯化碳溶液，再称量吸附后二氧化钛生物质碳气凝胶的质量，并依照公式（1）计算吸附倍率（Q）。

[0028] Q=(Mt-M0)/M（0 1）

[0029] 式中：M0为吸附前二氧化钛生物质碳气凝胶的质量；Mt为吸附后二氧化钛生物质碳气凝胶的质量。

[0030] 实施例1：

[0031] 生物质碳气凝胶的制备：

[0032] （1）生物质材料预处理：选择新鲜的生物质材料，用乙醇和水清洗后放入30℃的烘箱中烘干，得到干燥的预处理生物质；

[0033] （2）按预处理后生物质打碎，加入3wt%氢氧化钠中，并于90℃的水浴锅中磁力搅拌3h后，分别用水与乙醇清洗，过滤后烘干备用；

[0034] （3）将上述步骤（2）得到的生物质加入4wt%亚氯酸钠中，用醋酸调节溶液pH为5，并于80℃的水浴锅中磁力搅拌3h后，分别用水与乙醇清洗，得到生物质纤维素，烘干备用；

[0035] （4）按生物质纤维素和去离子水的质量比为1:10计，将生物质纤维素分散在去离子中，磁力搅拌10min后形成分散均一溶液，并冷冻12h，将冷冻后的样品放置于-48℃冷冻干燥24h后，得到生物质纤维素碳气凝胶；

[0036] （5）将上述所得的生物质纤维素碳气凝胶于氮气氛围中700℃热解1h后，得到生物质碳气凝胶。

[0037] 实施例2：

[0038] a.二氧化钛生物质碳气凝胶的制备：

[0039] （1）按每克生物质碳气凝胶中加入0.5mL浓硝酸计，将生物质碳气凝胶加入到浓度为65wt%浓硝酸溶液中，置于120℃烘箱反应3h后，取出，分别用蒸馏水和乙醇洗涤3次，30℃的环境下烘干，得活化后生物质碳气凝胶；

[0040] （2）按每100mL盐酸溶液中加入1g钛酸异丙酯计，将钛酸异丙酯加入到浓度为5M盐酸溶液中，配制二氧化钛前驱体溶液；按活化后生物质碳气凝胶与二氧化钛前驱体溶液的比例为1：0.3计，将活化后生物质碳气凝胶加入到二氧化钛前驱体溶液中，并置于120℃烘箱反应6h后，取出，分别用蒸馏水和乙醇洗涤5次，60℃的环境下烘干，得二氧化钛生物质碳气凝胶；

[0041] b.二氧化钛生物质碳气凝胶的疏水改性

[0042] 将a中所制得二氧化钛生物质碳气凝胶于氢气氛围中，氢气通入气流量为5mL/s；以1℃/min速率升温至300℃，保温4h后以2℃/min速率降温，可得疏水性的二氧化钛生物质碳气凝胶。如附图1、附图2所示：材料的整体形貌为纤维结构，二氧化钛纳米棒均匀分散在生物质碳纤维表面，形成微纳分级结构的生物质碳气凝胶。

[0043] 有机溶剂吸附分离实验：

[0044] 在50mL烧杯中，加入混有四氯化碳的水溶液，再加入称量好的二氧化钛生物质碳气凝胶作为吸附剂，在室温条件下，静态吸附直至吸附饱和，将吸附材料从有机溶剂中取出，称量吸附后的质量，计算吸附倍率为124.6～128.3。

[0045] 实施例3：

[0046] a.二氧化钛生物质碳气凝胶的制备：

[0047] （1）按每克生物质碳气凝胶中加入2mL浓硝酸计，将生物质碳气凝胶加入到浓度为68wt%浓硝酸溶液中，置于150℃烘箱反应4h后，取出，分别用蒸馏水和乙醇洗涤5次，60℃的环境下烘干，得活化后生物质碳气凝胶；

[0048] （2）按每100mL盐酸溶液中加入3g钛酸异丙酯计，将钛酸异丙酯加入到浓度为7M盐酸溶液中，配制二氧化钛前驱体溶液；按活化后生物质碳气凝胶与二氧化钛前驱体溶液的比例为1：0.5计，将活化后生物质碳气凝胶加入到二氧化钛前驱体溶液中，并置于150℃烘箱反应10h后，取出，分别用蒸馏水和乙醇洗涤3次，30℃的环境下烘干，得二氧化钛生物质碳气凝胶；

[0049] b.二氧化钛生物质碳气凝胶的疏水改性

[0050] 将a中所制得二氧化钛生物质碳气凝胶于氢气氛围中，氢气通入气流量为1mL/s；以5℃/min速率升温至500℃，保温2h后以5℃/min速率降温，可得疏水性的二氧化钛生物质碳气凝胶。

[0051] 有机溶剂吸附分离实验：

[0052] 在50mL烧杯中，加入混有四氯化碳的水溶液，再加入称量好的二氧化钛生物质碳气凝胶作为吸附剂，在室温条件下，静态吸附直至吸附饱和，将吸附材料从有机溶剂中取出，称量吸附后的质量，计算吸附倍率为127.6～135.4。

[0053] 实施例4：

[0054] a.二氧化钛生物质碳气凝胶的制备：

[0055] （1）按每克生物质碳气凝胶中加入5mL浓硝酸计，将生物质碳气凝胶加入到浓度为66wt%浓硝酸溶液中，置于200℃烘箱反应6h后，取出，分别用蒸馏水和乙醇洗涤4次，50℃的环境下烘干，得活化后生物质碳气凝胶；

[0056] （2）按每100mL盐酸溶液中加入2.5g钛酸异丙酯计，将钛酸异丙酯加入到浓度为8M盐酸溶液中，配制二氧化钛前驱体溶液；按活化后生物质碳气凝胶与二氧化钛前驱体溶液的比例为1：0.7计，将活化后生物质碳气凝胶加入到二氧化钛前驱体溶液中，并置于200℃烘箱反应24h后，取出，分别用蒸馏水和乙醇洗涤4次，30℃的环境下烘干，得二氧化钛生物质碳气凝胶；

[0057] b.二氧化钛生物质碳气凝胶的疏水改性

[0058] 将a中所制得二氧化钛生物质碳气凝胶于氢气氛围中，氢气通入气流量为2mL/s；以3℃/min速率升温至600℃，保温1h后以2℃/min速率降温，可得疏水性的二氧化钛生物质碳气凝胶。

[0059] 有机溶剂吸附分离实验：

[0060] 在50mL烧杯中，加入混有四氯化碳的水溶液，再加入称量好的二氧化钛生物质碳气凝胶作为吸附剂，在室温条件下，静态吸附直至吸附饱和，将吸附材料从有机溶剂中取出，称量吸附后的质量，计算吸附倍率为129.6～136.9。

[0061] 实施例5：

[0062] a.二氧化钛生物质碳气凝胶的制备：

[0063] （1）按每克生物质碳气凝胶中加入3mL浓硝酸计，将生物质碳气凝胶加入到浓度为65wt%浓硝酸溶液中，置于160℃烘箱反应5h后，取出，分别用蒸馏水和乙醇洗涤3次，60℃的环境下烘干，得活化后生物质碳气凝胶；

[0064] （2）按每100mL盐酸溶液中加入1.5g钛酸异丙酯计，将钛酸异丙酯溶液加入到浓度为5M盐酸溶液中，配制二氧化钛前驱体溶液；按活化后生物质碳气凝胶与二氧化钛前驱体溶液的比例为1：0.6计，将活化后生物质碳气凝胶加入到二氧化钛前驱体溶液中，并置于150℃烘箱反应18h后，取出，分别用蒸馏水和乙醇洗涤3次，50℃的环境下烘干，得二氧化钛生物质碳气凝胶；

[0065] b.二氧化钛生物质碳气凝胶的疏水改性

[0066] 将a中所制得二氧化钛生物质碳气凝胶于氢气氛围中，氢气通入气流量为3mL/s；以2℃/min速率升温至400℃，保温2h后以4℃/min速率降温，可得疏水性的二氧化钛生物质碳气凝胶。

[0067] 有机溶剂吸附分离实验：

[0068] 在50mL烧杯中，加入混有四氯化碳的水溶液，再加入称量好的二氧化钛生物质碳气凝胶作为吸附剂，在室温条件下，静态吸附直至吸附饱和，将吸附材料从有机溶剂中取出，称量吸附后的质量，计算吸附倍率为130.6～139.4。

[0069] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。