一种纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法及其应用。该包括方法以下步骤：(1)将氢氧化钠和尿素溶于水中，得到氢氧化钠/尿素水溶液作为溶剂；(2)将溶剂预冷至‑8～‑15℃，然后加入绝干漂白亚麻浆，搅拌混合均匀，得到纤维素溶液；(3)将氧化石墨烯加入到纤维素溶液中，冰水浴中搅拌分散均匀，然后加热至40～60℃使其凝胶化，再冷冻干燥，得到纤维素/氧化石墨烯凝胶；(4)将纤维素/氧化石墨烯凝胶在真空条件下进行高温碳化，再用盐酸刻蚀、水洗、抽滤，最后真空干燥，得到纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶。本发明专利技术制得的碳气凝胶具有良好的亲水性及化学修饰性，能广泛应用于重金属离子吸附及电极材料领域。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法及其应用
本专利技术属于功能材料领域，特别涉及一种纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法及其应用。
技术介绍
随着经济和社会的日趋发展，人们的物质生活变得丰富多彩。然而，迅速的发展背后却带来了严重的环境污染，其中水体污染极为严重。严重的水污染不仅妨碍了社会各行业的正常运行，而且危害人类身体健康，甚至引发致命性的灾难。有毒化学物质如铬、汞、镉、铅重金属和苯酚、苯胺卤代烃等进入水体后，会直接或间地通过食物链进入人体，引发各种疾病。常见工业废水的处理方法有物理法、化学法、生物法和物理化学法等。物理法虽简单，但只限于工业废水的初步分离；化学法操作复杂，处理费用高；生物法只是用于辅助废水处理的尾端处理，直接生物法不能达到预期的效果；而化学物理法中的吸附法具有规模小、操作简单、成本低等优点，在废水处理中得到了广泛的应用。碳气凝胶作为一种新型的纳米多孔非晶碳素材料，大的比表面积及高的孔隙率决定了它可以作为水体吸附的优良吸附剂。但是传统生物质活性炭制备过程中需要加入大量活化剂对生物质前驱体进行活化处理，处理工艺繁琐。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供所述方法制备得到的纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法。本专利技术的又一目的在于提供所述纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将氢氧化钠和尿素溶于水中，得到氢氧化钠/尿素水溶液作为溶剂；(2)将步骤(1)中得到的溶剂预冷至-8～-15℃，然后加入相对于溶剂质量1～5％的绝干漂白亚麻浆，搅拌混合均匀，得到纤维素溶液；(3)将氧化石墨烯加入到步骤(2)中得到的纤维素溶液中，冰水浴中搅拌分散均匀，然后加热至40～60℃、使其凝胶化获得纤维素/氧化石墨烯水凝胶，再冷冻干燥，得到纤维素/氧化石墨烯凝胶；(4)将步骤(3)中得到的纤维素/氧化石墨烯凝胶在真空条件下进行高温碳化，再用盐酸刻蚀、水洗、抽滤，最后真空干燥，得到纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶；其中，高温碳化的条件为：先在180～220℃条件下低温预碳化1～3h，然后以2～10℃/min的升温速率升温至600～900℃碳化1～4h。步骤(1)中所述的氢氧化钠/尿素水溶液中氢氧化钠的质量分数为6％～10％，尿素的质量分数为10％～15％。步骤(2)中所述的预冷优选为在低温冷却循环泵中进行预冷。步骤(2)中所述的搅拌为采用高速分散均质机进行搅拌；搅拌的条件优选为：2000～10000r/min搅拌4～8min。步骤(3)中所述的氧化石墨烯与纤维素溶液中纤维素的绝干质量比为30～60:1～10。步骤(3)中所述的冰水浴的温度为1～5℃。步骤(3)中所述的搅拌的条件优选为：100～2000r/min搅拌10～40min。步骤(3)中所述的凝胶化的时间为0.5～3h。步骤(4)中所述的高温碳化为在真空管式烧结炉中高温碳化；其高温碳化的条件优选为：在氮气保护下，先在180～220℃条件下低温预碳化1～3h，然后以2～10℃/min的升温速率升温至600～900℃碳化1～4h。所述的氮气的流速为50～250cm3/min；步骤(3)中所述的盐酸的浓度为0.5～2mol/L。步骤(3)中所述的盐酸刻蚀的时间优选为1h。一种纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶，通过上述任一项所述的方法制备得到。所述的纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶在重金属吸附、废水净化、电极材料等领域中的应用。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1)本专利技术以漂白亚麻浆纤维为原料符合绿色环保理念，原料来源广泛。利用碱/尿素体系溶解纤维素得到的纤维素/氧化石墨烯气凝胶作为碳前躯体进行自活化的方式一步炭化得到纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶，不用添加其它活化剂，工艺简单方便，且应用广泛。高温碳化后得到的碳材料其表面上具有丰富的羟基、羧基、羰基等官能团，而且掺杂着大量N、O元素，使得碳材料活性增强，另外，该碳气凝胶由许多片层结构组成，片层之间为大孔利于吸收废水，片成表面有许多介孔和微孔，大大增加了碳气凝胶的比表面积，提升了吸附面积。对水体重金属离子具有显著的吸附效果。(2)本专利技术中氧化石墨烯作二维纳米片层结构具有较高的比表面积，将其与纤维素混合在一起可以形成三维多孔结构，大大增加了碳材料的比表面积。另外，采用碱尿素体系溶解纤维素得到的纤维素基气凝胶，其表面及内部含有大量氢氧化钠及尿素，在高温碳化过程中氢氧化钠会发生化学活化造孔，尿素也会分解产生氨气造孔，并且得到的碳气凝胶会掺杂部分氮元素，增加碳气凝胶的活性，对提升碳气凝胶的吸附性能具有显著效果。(3)本专利技术中工艺简单，制得的碳气凝胶良好的亲水性及化学修饰性，能广泛应用于重金属离子吸附及电极材料等领域。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。本专利技术制备方法中起始原料漂白亚麻浆购自丰源(邢台)特种纸业有限公司，漂白亚麻浆中纤维素含量为95.5％(w/w)。氧化石墨烯是根据文献中Hummer法制备(JrWSH,OffemanRE.PreparationofGraphiticOxide[J].J.am.chem.soc,1958,80(6):1339.)；其他原料及试剂均可从市面上购得。实施例1一种纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将氢氧化钠、尿素、去离子水以一定比例加入至500ml烧杯中，形成300g氢氧化钠/尿素水溶液溶剂，所得溶剂中氢氧化钠的质量分数为6％，尿素质量分数为15％；(2)将上述所得氢氧化钠/尿素水溶液溶剂置于低温冷却循环泵中预冷至-8℃，往溶液中添加1％(浆料的绝干量相对于氢氧化钠/尿素水溶液溶剂质量的百分比)的绝干漂白亚麻浆。使用高速分散均质机以4000r/min搅拌8min，形成透明的纤维素溶液；(3)按照氧化石墨烯相对于纤维素溶液中纤维素的绝干质量(绝干漂白亚麻浆中纤维素的含量是95.5％(w/w))比为60:1，加入到纤维素溶液中，并且在1℃冰水浴中以300r/min搅拌40min，使氧化石墨烯分散于纤维素溶液中，然后在40℃下加热0.5h使其凝胶化得到纤维素/氧化石墨烯水凝胶，冷冻干燥得到纤维素/氧化石墨烯气凝胶。(4)将纤维素/氧化石墨烯气凝胶放入真空管式烧结炉中，抽真空，通入氮气保护，气流为50cm3/min。首先在180℃下预碳化1h，然后以2℃/min升温至600℃，保温1h，得到纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶，用0.5mol/L盐酸刻蚀1h(室温)，水洗抽滤，真空干燥得到纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶。实施例2一种纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将氢氧化钠、尿素、去离子水以一定比例加入至500ml烧杯中，形成300g氢氧化钠/尿素水溶液溶剂，所得溶剂中氢氧化钠的质量分数为7％，尿素质量分数为14％；(2)将上述所得氢氧化钠/尿素水溶液溶剂置于低温冷却循环泵中预冷至-9℃，往溶液中添加2％(浆料的绝干量相对于氢氧化钠/尿素水溶液溶剂质量的百分比)的绝干漂白亚麻浆。使用高速分散均质机以5000r/min搅拌7min本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将氢氧化钠和尿素溶于水中，得到氢氧化钠/尿素水溶液作为溶剂；(2)将步骤(1)中得到的溶剂预冷至‑8～‑15℃，然后加入相对于溶剂质量1～5％的绝干漂白亚麻浆，搅拌混合均匀，得到纤维素溶液；(3)将氧化石墨烯加入到步骤(2)中得到的纤维素溶液中，冰水浴中搅拌分散均匀，然后加热至40～60℃、使其凝胶化获得纤维素/氧化石墨烯水凝胶，再冷冻干燥，得到纤维素/氧化石墨烯凝胶；(4)将步骤(3)中得到的纤维素/氧化石墨烯凝胶在真空条件下进行高温碳化，再用盐酸刻蚀、水洗、抽滤，最后真空干燥，得到纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶；其中，高温碳化的条件为：先在180～220℃条件下低温预碳化1～3h，然后以2～10℃/min的升温速率升温至600～900℃碳化1～4h。

【技术特征摘要】
1.一种纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将氢氧化钠和尿素溶于水中，得到氢氧化钠/尿素水溶液作为溶剂；(2)将步骤(1)中得到的溶剂预冷至-8～-15℃，然后加入相对于溶剂质量1～5％的绝干漂白亚麻浆，搅拌混合均匀，得到纤维素溶液；(3)将氧化石墨烯加入到步骤(2)中得到的纤维素溶液中，冰水浴中搅拌分散均匀，然后加热至40～60℃、使其凝胶化获得纤维素/氧化石墨烯水凝胶，再冷冻干燥，得到纤维素/氧化石墨烯凝胶；(4)将步骤(3)中得到的纤维素/氧化石墨烯凝胶在真空条件下进行高温碳化，再用盐酸刻蚀、水洗、抽滤，最后真空干燥，得到纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶；其中，高温碳化的条件为：先在180～220℃条件下低温预碳化1～3h，然后以2～10℃/min的升温速率升温至600～900℃碳化1～4h。2.根据权利要求1所述的纤维素/氧化石墨烯碳气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的高温碳化的条件为：在氮气保护下，先在180～220℃条件下低温预碳化1～3h，然后以2～10℃/min的升温速率升温至600～900℃碳化1～4h；所述的氮气的流速为50～250cm3/...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨飞，汤吕桥，冯郁成，李艳丽，何伟健，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44