一种α-FeOOH纳米棒负载的多孔生物炭复合材料的制备方法技术

一种α‑FeOOH纳米棒负载的多孔生物炭复合材料的制备方法，涉及一种多孔生物炭复合材料的制备方法。是要解决现有的多孔碳材料上负载纳米粒子的方法成本高，纳米级FeOOH粒子容易发生团聚的问题。方法：一、对生物炭原材料进行热解碳化；二、将热解碳化后的多孔生物炭材料清洗，干燥后浸入酸性氧化剂溶液中，加热，冲洗，干燥得到多孔生物炭材料；三、将多孔生物炭材料浸于铁盐水溶液中搅拌，加入强碱溶液，混合均匀后将混合液装入反应釜，进行水热反应，最后真空干燥得到α‑FeOOH纳米棒负载多孔生物炭复合材料。由于玉米秸秆作为农业废弃物廉价易得，采用其为碳源，降低了成本。本发明专利技术用于生物复合材料领域。

A preparation method of porous biochar composites loaded with alpha -FeOOH nanorods

The invention relates to a preparation method of porous biochar composites loaded with alpha-FeOOH nanorods, and relates to a preparation method of porous biochar composites. To solve the problem of high cost and easy agglomeration of nano-sized FeOOH particles on existing porous carbon materials. Methods: First, the raw materials of biochar were pyrolyzed and carbonized; second, the porous biochar materials were washed, dried and immersed in acid oxidant solution, heated, washed and dried to obtain porous biochar materials; third, the porous biochar materials were immersed in iron salt solution and stirred, adding strong alkali solution, mixed. After homogenization, the mixture was loaded into the reactor for hydrothermal reaction, and finally the porous biochar composites loaded with alpha_FeOOH nanorods were obtained by vacuum drying. As corn straw is cheap and easy to use as agricultural waste, it is used as carbon source to reduce the cost. The invention is applied to the field of biological composite materials.

【技术实现步骤摘要】
一种α-FeOOH纳米棒负载的多孔生物炭复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种多孔生物炭复合材料的制备方法。
技术介绍
α-FeOOH作为土壤/沉积物中天然普遍存在的矿物质，由于其相对稳定且成本较低，因此被广泛应用于有机污染物降解和污水环境处理。与块状材料相比，具有高反应性的纳米级FeOOH可能会发生团聚，进而降低其吸附效果。目前，通过增加的活性位点并防止金属离子团聚的分散体载体材料大多数为惰性多孔材料，比如沸石，金属氧化物，介孔二氧化硅，多孔碳，石墨烯等。已有研究表明，利用配位辅助合成方法，以酚醛树脂作为碳源，合成有序介孔碳材料中然后负载高活性和稳定的金纳米颗粒催化剂。材料具有有序的介孔结构，高表面积，较大孔体积(约1.19cm3·g-1)，均匀的双峰中孔尺寸(<2.0和4.0nm)，进而将金纳米颗粒高度分散。但是活性炭及石墨烯基碳材料由于价格昂贵，不易获取，无形中提高了材料的制备成本。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的多孔碳材料上负载纳米粒子的方法成本高，纳米级FeOOH粒子容易发生团聚的问题，提供一种α-FeOOH纳米棒负载的多孔生物炭复合材料的制备方法。本专利技术α-FeOOH纳米棒负载的多孔生物炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、对生物炭原材料进行裁剪洗涤，干燥后粉碎，过100目筛；将粉碎后的生物炭原材料与金属盐混合研磨得到混合物，将得到的混合物置于管式炉中，在通入惰性气体的条件下，控制加热温度、加热时间及升温速率，得到热解碳化后的多孔生物炭材料；进行热解碳化的目的是通过热解金属盐与生物质的混合物，以制备多孔生物炭，活化后的多孔生物炭具有明显的分层结构。步骤二、将热解碳化后的多孔生物炭材料置于蒸馏水中反复清洗，干燥后浸入酸性氧化剂溶液中，水浴加热7～10h，取出再次用蒸馏水反复冲洗，干燥得到多孔生物炭材料；酸性氧化剂处理的目的是增强多孔生物炭的亲水性，使得多孔生物炭更好的溶于水。并且经过此处理可以增加多孔生物炭表面的含氧官能团数目，有利于更好的吸附重金属。步骤三、将步骤二得到的多孔生物炭材料浸于铁盐水溶液中搅拌7～10h，然后保持搅拌的条件下加入强碱溶液，混合均匀后将混合液装入反应釜，进行水热反应，最后真空干燥得到α-FeOOH纳米棒负载多孔生物炭复合材料。加入强碱的目的是使吸附在多孔生物炭表面的三价铁迅速转化为氢氧化铁，然后通过水热反应，使多孔生物炭表面氢氧化铁沉淀分解生成α-FeOOH纳米棒，并且高度分散在多孔生物炭表面。进一步的，步骤一所述生物炭原材料为玉米秸秆、小麦秸秆或水稻秸秆。进一步的，步骤一中金属盐为KHCO3、NaHCO3、ZnCl2或LiNO3。进一步的，步骤一中生物炭原材料与金属盐的质量比为(1～10):1。进一步的，步骤一中加热温度为750～850℃。进一步的，步骤一中加热时间为2～3h。进一步的，步骤一中升温速率为5～15℃·min-1。进一步的，步骤二所述的酸性氧化剂溶液为(NH4)2S2O8和H2SO4按摩尔比1:(1～10)组成的混合溶液。进一步的，步骤二中水浴加热的温度为55～65℃.进一步的，步骤三所述的铁盐为Fe(NO3)3·9H2O、FeCl3·6H2O或FeSO4·7H2O。进一步的，步骤三中铁盐水溶液的浓度为0.005～0.2mol·L-1。进一步的，步骤三所述强碱溶液为NaOH溶液，浓度为1～5mol·L-1。进一步的，步骤三中多孔生物炭材料与强碱溶液的质量比为1：(2～20)。进一步的，步骤三中水热反应的温度为70～75℃，反应时间为12～14h。进一步的，步骤三中真空干燥温度为40～60℃。本专利技术的有益效果：本专利技术以生物质为原料，采用熔盐辅助与水热相结合制得的α-FeOOH纳米棒负载多孔生物炭复合材料具有较大的比表面积，本专利技术材料的比表面积能够达到391.6m2·g-1。且α-FeOOH高度分散在多孔生物炭表面，因此提高了从环境中移除重金属的吸附效率。在多孔生物炭与铁离子混合时，多孔生物炭表面丰富的含氧官能团通过吸附作用将三价铁吸附于多孔生物炭表面，有利于生成的α-FeOOH在多孔生物炭表面的分散。α-FeOOH的高度分散增加了更多吸附重金属的活性位点，使得α-FeOOH和多孔生物炭的协同作用从而提高了重金属的移除效率。本专利技术制备的α-FeOOH纳米棒负载多孔生物炭复合材料具有梯度孔结构(微孔-中孔-大孔)。材料的大、中、小孔结构的在吸附环境污染在起着关键作用。因此，具有梯度孔结构的羟基氧化铁生物炭复合材料的适用范围得到了扩大。由于玉米秸秆作为农业废弃物廉价易得，采用其为碳源，降低了成本，在一定程度上实现了取材绿色环保的理念。并且利用其与金属盐混合煅烧、水热相结合的方法，制备出α-FeOOH纳米棒负载多孔生物炭复合材料，有效地增大了该材料的比表面积，提高了其在工业生活的利用价值。此外，由于制备方法简便，可操作性强，且原料来源广泛廉价，因此可广泛地合成制备。附图说明图1为对比例中步骤一不添加金属盐而制备的热解碳化后的多孔生物炭材料的扫描电镜照片；图2为实施例1步骤一制备的熔盐活化生物炭材料的扫描电镜照片；图3为实施例1步骤二制备的酸化氧化生物炭材料的扫描电镜照片；图4为实施例1步骤二制备的α-FeOOH纳米棒负载生物炭复合材料的扫描电镜照片；图5是实施例1制备的α-FeOOH纳米棒负载生物炭复合材料的XRD谱图；图6是实施例1制备的α-FeOOH纳米棒负载生物炭复合材料的N2吸附-脱附谱图。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式α-FeOOH纳米棒负载的多孔生物炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、对生物炭原材料进行裁剪洗涤，干燥后粉碎，过100目筛；将粉碎后的生物炭原材料与金属盐混合研磨得到混合物，将得到的混合物置于管式炉中，在通入惰性气体的条件下，控制加热温度、加热时间及升温速率，得到热解碳化后的多孔生物炭材料；步骤二、将热解碳化后的多孔生物炭材料置于蒸馏水中反复清洗，干燥后浸入酸性氧化剂溶液中，水浴加热7～10h，取出再次用蒸馏水反复冲洗，干燥得到多孔生物炭材料；步骤三、将步骤二得到的多孔生物炭材料浸于铁盐水溶液中搅拌7～10h，然后保持搅拌的条件下加入强碱溶液，混合均匀后将混合液装入反应釜，进行水热反应，最后真空干燥得到α-FeOOH纳米棒负载多孔新型生物炭复合材料；其中步骤一中生物炭原材料与金属盐的质量比为(1～10):1；步骤一中加热温度为750～850℃；步骤三中铁盐水溶液的浓度为0.005～0.2mol·L-1；步骤三中多孔生物炭材料与强碱溶液的质量比为1：(2～20)；步骤三中水热反应的温度为70～75℃，反应时间为12～14h。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述生物炭原材料为玉米秸秆、小麦秸秆或水稻秸秆。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中金属盐为KHCO3、NaHCO3、ZnCl2或LiNO3。其它与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中加热时间为2～3h。其它与具体实施方式一至三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种α‑FeOOH纳米棒负载的多孔生物炭复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、对生物炭原材料进行裁剪洗涤，干燥后粉碎，过100目筛；将粉碎后的生物炭原材料与金属盐混合研磨得到混合物，将得到的混合物置于管式炉中，在通入惰性气体的条件下，控制加热温度、加热时间及升温速率，得到热解碳化后的多孔生物炭材料；步骤二、将热解碳化后的多孔生物炭材料置于蒸馏水中反复清洗，干燥后浸入酸性氧化剂溶液中，水浴加热7～10h，取出再次用蒸馏水反复冲洗，干燥得到多孔生物炭材料；步骤三、将步骤二得到的多孔生物炭材料浸于铁盐水溶液中搅拌7～10h，然后保持搅拌的条件下加入强碱溶液，混合均匀后将混合液装入反应釜，进行水热反应，最后真空干燥得到α‑FeOOH纳米棒负载多孔新型生物炭复合材料；其中步骤一中生物炭原材料与金属盐的质量比为(1～10):1；步骤一中加热温度为750～850℃；步骤三中铁盐水溶液的浓度为0.005～0.2mol·L‑1；步骤三中多孔生物炭材料与强碱溶液的质量比为1：(2～20)；步骤三中水热反应的温度为70～75℃，反应时间为12～14h。

【技术特征摘要】
1.一种α-FeOOH纳米棒负载的多孔生物炭复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一、对生物炭原材料进行裁剪洗涤，干燥后粉碎，过100目筛；将粉碎后的生物炭原材料与金属盐混合研磨得到混合物，将得到的混合物置于管式炉中，在通入惰性气体的条件下，控制加热温度、加热时间及升温速率，得到热解碳化后的多孔生物炭材料；步骤二、将热解碳化后的多孔生物炭材料置于蒸馏水中反复清洗，干燥后浸入酸性氧化剂溶液中，水浴加热7～10h，取出再次用蒸馏水反复冲洗，干燥得到多孔生物炭材料；步骤三、将步骤二得到的多孔生物炭材料浸于铁盐水溶液中搅拌7～10h，然后保持搅拌的条件下加入强碱溶液，混合均匀后将混合液装入反应釜，进行水热反应，最后真空干燥得到α-FeOOH纳米棒负载多孔新型生物炭复合材料；其中步骤一中生物炭原材料与金属盐的质量比为(1～10):1；步骤一中加热温度为750～850℃；步骤三中铁盐水溶液的浓度为0.005～0.2mol·L-1；步骤三中多孔生物炭材料与强碱溶液的质量比为1：(2～20)；步骤三中水热反应的温度为70～75℃，反应时间为12～14h。2.根据权利要求1所述的一种α-FeOOH纳米棒负载的多孔生物炭复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述生物炭原材料为玉米秸秆、小麦秸秆或水稻秸秆。3.根据权利要求1或2所述的一种α-FeOOH纳米棒负载的多孔生物炭复合材料的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，张帅帅，程魁，李慧鹏，李帅帅，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23