一种氮掺杂HCNFs/SA-Me制造技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂HCNFs/SA‑Me

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合凝胶的制备方法
本专利技术属于功能高分子复合材料
，具体涉及一种氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合凝胶的制备方法。
技术介绍
水凝胶是一种通过化学键、氢键、范德华力或物理缠结所形成的具有三维交联网络结构，同时含有羟基、酰胺基、磺酸基、羧基等亲水基团，但本身不溶于水的新型功能高分子材料。水凝胶在水中能够溶胀，其吸水量可达凝胶干重的几十倍至几千倍。由于三维网络水凝胶具有特殊响应性以及较高的吸水性能，近年来已被广泛应用于工业、农业、林业、园艺、卫生、医药等各个领域。不仅如此，利用其高吸附容量、快吸附速率和可再生性等特定，将其用于吸附处理重金属离子、燃料废水等方面受到了人们的广泛关注。并且通过共聚、交联、接枝、掺杂等方式使电活性分子在高亲水性凝胶内部网络结构形成复合材料，集合了凝胶特性和电活性特性。凝胶成分赋予复合材料高亲水性、溶胀性、良好的生物相容性以及小分子在三维网络结构中的高扩散性。电活性分子使得复合材料拥有高导电性、电化学氧化还原性、电机械转换性等，可以在吸附分离、能源方面等领域得到一定的应用。然而，现有技术中的凝胶复合材料的品种很多，通常以凝胶材料为基底，导电高分子、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、金属纳米颗粒等通过共混、掺杂等方法制备，因此比表面积小，机械性能、导电性能和稳定性不佳，导致在吸附分离、能源方面等领域的应用受到限制。海藻酸盐无臭、无毒，水溶液粘度高，且具有良好的生物相容性和生物可降解特性的天然多糖高聚物，原料丰富、易得且价格低廉，使其在医药、纺织、组织工程等领域有着重要的用途。其中，海藻酸钠结构中含有大量的-COO-基团，在金属阳离子存在的情况下，易与其发生离子交联形成网络结构，从而形成水凝胶，但该水凝胶质地松脆，机械强度和加工性能较差。纳米碳纤维的直径介于碳纳米管以及普通碳纤维之间的一维碳材料，其生长过程比较复杂，采用不同的工艺参数其形貌有着较大的差异，如晶须状、分叉状、双向状、多向状、螺旋状等。纳米碳纤维具有高强度、高模量、较好的导热性以及良好的表面尺寸效应等受到人们极大的关注。其中，螺旋状纳米碳纤维是气相生长的一种新型碳纤维除了具有直碳纤维的耐热性、化学稳定性，热氢储存材料、导电复合材料、弹性材料以及吸波材料上具有深远的应用胀性和低密度性，因其特殊的螺旋结构具有典型的手性特征和良好的弹性，但容易团聚，导电性能、稳定性、吸附金属离子、亲水性和化学活性位点较差。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合凝胶的制备方法，解决海藻酸钠凝胶材料质地松脆、机械强度不佳、导电性能不佳，导致在吸附分离以及能源方面等领域的应用受到限制的问题。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合凝胶的制备方法，包括如下步骤：1）氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合水凝胶的制备在含氨气的气体氛围下，将螺旋纳米碳纤维置于800~1000℃下反应，得到氮掺杂螺旋纳米碳纤维，然后将所述氮掺杂螺旋纳米碳纤维和表面活性剂加入去离子水中超声分散30~60min得到第一分散液，再向所述第一分散液中加入海藻酸钠乳浊液，机械搅拌1~2h得混合液，最后向所述混合液中加入金属阳离子氯化物溶液，静置5~12h后，经去离子水浸泡、洗涤，得到氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合水凝胶；2）氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合气凝胶的制备将螺旋纳米碳纤维和表面活性剂加入去离子水中超声分散30~60min得第二分散液；再向所述第二分散液中加入氨水和海藻酸钠乳浊液超声分散30~60min得混合液，然后向所述混合液中加入金属阳离子氯化物溶液，机械搅拌1~2h，得Men+混合液，最后将所述Men+混合液装入反应釜中进行水热反应，冷却至室温后经去离子水浸泡、洗涤、低温冷冻干燥，得到氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合气凝胶。这样，在HCNFs的中引入含氮原子结构，可以增加表面吸附金属粒子的活性位，从而增强HCNFs与Men+的相互作用，可以调整导电类型，改变螺旋纳米碳纤维的电子结构，提高自由载流子密度，从而提高导电性能和稳定性；增加表面吸附金属粒子的活性位，从而增强螺旋纳米碳纤维与金属粒子的相互作用；另外，螺旋纳米碳纤维的中引入含氮原子可部分取代碳元素，改变材料的表面性质，调变其孔道结构，增强其亲水性，并影响材料表面的酸碱性，提供大量化学活性位。进一步，所述氮掺杂的HCNFs/SA-Men+复合水凝胶的制备还可以采用以下方法：将螺旋纳米碳纤维和表面活性剂加入去离子水中，超声分散10~30min得到第三分散液，再向所述分散液中加入海藻酸钠乳浊液和氨水，超声分散1~2h得到混合液，将所述混合液放到反应釜里进行水热反应得掺氮混合液，最后向上述掺氮混合液中加入金属阳离子氯化物溶液，机械搅拌1~2h，经去离子水浸泡、洗涤，得到氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合水凝胶。这样，海藻酸钠和螺旋纳米碳纤维混合均匀后，再加入金属阳离子，海藻酸钠与金属阳离子接触会交联形成凝胶，使螺旋纳米碳纤维能在凝胶中均匀分布。进一步，所述螺旋纳米碳纤维采用如下方法纯化制得：用质量分数50~70%的硝酸溶液淹没螺旋纳米碳纤维粗产品，于120~140℃纯化1~2h，离心洗涤至上层清液呈中性，置于60~80℃真空干燥箱内干燥8~10h后，将产物研磨成粉，325目过筛，即得到纯化后的螺旋纳米碳纤维。进一步，所述分散液中表面活性剂的质量分数为1%~3%，所述分散液中螺旋纳米碳纤维或氮掺杂螺旋纳米碳纤维的浓度为0.01~0.5mg/L，所述分散液为第一分散液、第二分散液或第三分散液。进一步，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基氯化铵中的一种或两种以上。进一步，所述金属阳离子氯化物溶液中的金属阳离子氯化物为FeCl3、CaCl2、CuCl2、BaCl2或ZnCl2等；所述金属阳离子氯化物溶液的浓度为0.01~0.05mol/L。进一步，所述海藻酸钠乳浊液中海藻酸钠的质量分数为1~5%。进一步，所述分散液、海藻酸钠乳浊液和属阳离子氯化物溶液的体积比为1~3:1~2:0.2~1，所述分散液为第一分散液、第二分散液或第三分散液。进一步，所述水热反应中反应温度为80~140℃，反应时间为6~10h。进一步，所述冷冻干燥中反应温度为-55~-70℃，反应时间为12~24h。相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术制备的氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合凝胶呈多孔的三维网络结构，其中海藻酸钠（SA）与金属阳离子（Men+）交联形成凝胶，并辅以螺旋纳米碳纤维。其中在合适的pH和温度条件下，海藻酸钠分子结构G单元中的Na+能和一些高价金属阳离子发生离子置换反应，导致金属阳离子位于的腔体结构内（带负电荷的G单元围绕所形成），大量G单元逐渐堆积，形成三维网络结构，该结构能控制水分子的流动性，从而产生凝胶化作用，使凝胶内部结构更加紧密。因螺旋纳米碳纤维的螺旋和弯曲的形貌特征，大大的增加了复合材料的比表面积，所以螺旋纳米碳纤维的引入使其内部结构变得疏松，内部间隙空间大，凝胶分子之间的作用力不均匀，大大的改善了复合凝胶的储水性能。另本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂HCNFs/SA‑Men+复合凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)氮掺杂HCNFs/SA‑Men+复合水凝胶的制备在含氨气的气体氛围下，将螺旋纳米碳纤维置于800～1000℃下反应，得到氮掺杂螺旋纳米碳纤维，然后将所述氮掺杂螺旋纳米碳纤维和表面活性剂加入去离子水中超声分散30～60min得到第一分散液，再向所述第一分散液中加入海藻酸钠乳浊液，机械搅拌1～2h得混合液，最后向所述混合液中加入金属阳离子氯化物溶液，静置5～12h后，经去离子水浸泡、洗涤，得到氮掺杂HCNFs/SA‑Men+复合水凝胶；2)氮掺杂HCNFs/SA‑Men+复合气凝胶的制备将螺旋纳米碳纤维和表面活性剂加入去离子水中超声分散30～60min得第二分散液；再向所述第二分散液中加入氨水和海藻酸钠乳浊液超声分散30～60min得混合液，然后向所述混合液中加入金属阳离子氯化物溶液，机械搅拌1～2h，得Men+混合液，最后将所述Men+混合液装入反应釜中进行水热反应，冷却至室温后经去离子水浸泡、洗涤、低温冷冻干燥，得到氮掺杂HCNFs/SA‑Men+复合气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合水凝胶的制备在含氨气的气体氛围下，将螺旋纳米碳纤维置于800～1000℃下反应，得到氮掺杂螺旋纳米碳纤维，然后将所述氮掺杂螺旋纳米碳纤维和表面活性剂加入去离子水中超声分散30～60min得到第一分散液，再向所述第一分散液中加入海藻酸钠乳浊液，机械搅拌1～2h得混合液，最后向所述混合液中加入金属阳离子氯化物溶液，静置5～12h后，经去离子水浸泡、洗涤，得到氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合水凝胶；2)氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合气凝胶的制备将螺旋纳米碳纤维和表面活性剂加入去离子水中超声分散30～60min得第二分散液；再向所述第二分散液中加入氨水和海藻酸钠乳浊液超声分散30～60min得混合液，然后向所述混合液中加入金属阳离子氯化物溶液，机械搅拌1～2h，得Men+混合液，最后将所述Men+混合液装入反应釜中进行水热反应，冷却至室温后经去离子水浸泡、洗涤、低温冷冻干燥，得到氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合气凝胶。2.根据权利要求1所述氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合凝胶的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂的HCNFs/SA-Men+复合水凝胶的制备还可以采用以下方法：将螺旋纳米碳纤维和表面活性剂加入去离子水中，超声分散10～30min得到第三分散液，再向所述第三分散液中加入海藻酸钠乳浊液和氨水，超声分散1～2h得到混合液，将所述混合液放到反应釜里进行水热反应得掺氮混合液，最后向所述掺氮混合液中加入金属阳离子氯化物溶液，机械搅拌1～2h，经去离子水浸泡、洗涤，得到氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合水凝胶。3.根据权利要求1或2所述氮掺杂HCNFs/SA-Men+复合凝胶的制备方法，其特征在于，所述螺旋纳米碳纤维采用如下方...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚勇，陈建，李琳，刘平，周孝林，钟晓彤，王伦露，任意如，
申请(专利权)人：四川理工学院，
类型：发明
国别省市：四川,51