谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料及其制备方法和应用，该复合材料包括碳纳米管，碳纳米管表面修饰有谷氨酸，其中复合材料中羧基的质量含量为2％～3％。其制备方法包括：对碳纳米管进行氧化处理；制备活性碳纳米管中间体；将活性碳纳米管中间体和谷氨酸溶液混合进行反应制得谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料。本发明专利技术复合材料具有结构稳定、吸附能力强、生物兼容性好、实际应用价值高等优点，其制备方法具有工艺简单、容易操作、反应条件温和易控、成本低廉、耗能少、耗时短等优点。本发明专利技术复合材料能够用于吸附水体中染料和重金属，且吸附去除效果显著，在治理受污染水体方面具有较高的应用价值，有着广泛的应用前景。

Glutamic acid modified carbon nanotube composite material and its preparation method and Application

The invention discloses a glutamic acid modified carbon nanotube composite material, a preparation method and an application thereof. The composite material comprises carbon nanotubes and the surface of the carbon nanotubes is modified with glutamic acid, wherein the mass content of the carboxyl group in the composite material is 2%-3%. The preparation methods include: oxidation treatment of carbon nanotubes; preparation of active carbon nanotube intermediates; reaction of active carbon nanotube intermediates and glutamic acid solution to prepare glutamic acid modified carbon nanotube composites. The composite material has the advantages of stable structure, strong adsorption capacity, good biocompatibility and high practical application value, and the preparation method has the advantages of simple process, easy operation, mild reaction conditions, easy control, low cost, low energy consumption and short time-consuming. The composite material of the invention can be used for adsorbing dyes and heavy metals in water body, and has remarkable adsorption and removal effect, and has high application value in treating polluted water body, and has broad application prospect.

【技术实现步骤摘要】
谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于环境纳米新功能材料
，涉及一种谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着工农业的发展以及城市建设规模的扩大，大量的生活污水、工业废水、工业废渣、建筑垃圾、化肥农药等被排入湖泊、河流湿地系统，造成湿地环境的严重污染问题。因此，急需采取适宜的处置措施对受到污染的湿地水体和底泥进行有效地治理，而研发对污染物具有高效吸附能力且低生态毒性风险的新型功能纳米材料，这对湿地污染治理具有重要的价值和意义。碳纳米管材料作为典型的一维功能纳米材料在环境保护和污染治理方面有着巨大的应用前景。碳纳米管独特的中空管体结构和巨大的比表面积使其对许多污染物具有良好的吸附性能，尤其是一些疏水性有机污染物(如：多环芳烃、多氯联苯、有机氯农药等)，而碳纳米管材料的潜在环境风险和生态毒性是目前限制碳纳米管在环境污染治理方面应用的主要瓶颈之一。另外，碳纳米管对于重金属的吸附能力不强，也限制了碳纳米管在环境污染治理方面的广泛使用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构稳定、吸附能力强、生物兼容性好、实际应用价值高的谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料及其制备方法和应用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料，所述谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料包括碳纳米管，所述碳纳米管表面修饰有谷氨酸；所述谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料中羧基的质量含量为2％～3％。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种上述的谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1、对碳纳米管进行氧化处理；S2、采用1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液对步骤S1中经氧化处理的碳纳米管进行活化，加入N-羟基丁二酰亚胺溶液进行反应，得到活性碳纳米管中间体；S3、将步骤S2中的活性碳纳米管中间体和谷氨酸溶液混合进行反应，得到谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S2中，所述活化为将步骤S1中经氧化处理的碳纳米管与1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液混合，搅拌均匀；所述反应为在60℃～80℃下以转速为120rpm～200rpm搅拌1h～2h。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S2中，所述经氧化处理的碳纳米管、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液和N-羟基丁二酰亚胺溶液的质量体积比为0.5g～1g∶10mL∶10mL；所述1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液的浓度为0.05M～0.10M；所述N-羟基丁二酰亚胺溶液的浓度为0.05M～0.10M。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S3中，所述活性碳纳米管中间体和谷氨酸溶液的体积比为1.2∶1；所述谷氨酸溶液的浓度为5g/L～10g/L。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S3中，所述反应为在60℃～80℃下以转速为120rpm～200rpm搅拌4h～6h。上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述氧化处理为：将碳纳米管与浓硫酸和浓硝酸的混合酸液混合，超声处理，加热煮沸，过滤，洗涤，干燥；所述浓硫酸和浓硝酸的混合酸液中浓硫酸与浓硝酸的体积比为3∶1；所述超声处理的时间为30min～60min；所述加热煮沸后保持4h～6h；所述洗涤采用的是超纯水；所述洗涤的次数为3次～5次；所述干燥为真空干燥；所述真空干燥的时间为12h～18h。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种上述的谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料或上述的制备方法制得的谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料在吸附水体中染料和/或重金属中的应用。上述的应用，进一步改进的，包括以下步骤：将谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料与含染料和/或重金属的水体混合进行振荡处理，完成对水体中染料和重金属的吸附处理；所述谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料与含染料和/或重金属的水体的质量体积比为0.05g～0.5g∶1L。上述的应用，进一步改进的，所述含染料和/或重金属的水体中，染料为亚甲基蓝，重金属为铅；所述含染料的水体中染料的初始浓度为1mg/L～10mg/L；所述含重金属的水体中铅的初始浓度为25mg/L～200mg/L；所述振荡处理的温度为20℃～30℃；所述振荡处理的转速为150rpm～240rpm；所述振荡处理的时间为24h～48h。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提供了一种谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料，包括碳纳米管，碳纳米管表面修饰有谷氨酸。本专利技术中，谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，在生物体蛋白质代谢过程中具有重要地位，参与生物体内许多重要化学反应。从分子结构上看，谷氨酸分子具有两个羧基，是一种酸性氨基酸，具有良好的水溶性、可降解性和生物相容性。将谷氨酸通过共价接枝修饰在碳纳米管表面，提高了碳纳米管对有机染料和重金属离子的吸附能力，增强了碳纳米管材料的生物相容性；同时，碳纳米管和谷氨酸之间以稳定的酰胺键连接，结构稳定。本专利技术中，将谷氨酸用于修饰碳纳米管有利于提高吸附材料的亲水性、吸附能力、生物相容性和稳定性，拓展碳纳米管材料在处理受到污染的水体方面的应用。本专利技术谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料具有结构稳定、吸附能力强、生物兼容性好、实际应用价值高等优点，能够用于吸附水体中有机染料(如亚甲基蓝)和重金属(如铅)，是一种极具前途的新型碳纳米管材料。(2)本专利技术谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料中，由于一个谷氨酸分子里有2个羧基，将谷氨酸修饰在碳纳米管表面增加了材料表面羧基的含量，而羧基含量越高，对金属离子和阳离子型有机物的吸附去除能力越强，因而本专利技术谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料中羧基的质量含量为2％～3％能够确保复合材料具有较强的吸附去除能力。(3)本专利技术还提供了一种谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料的制备方法，以碳纳米管为原料，通过氧化处理，使碳纳米管表面产生羧基；通过采用1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液对经氧化处理的碳纳米管进行羧基活化，生成高活性的邻位-酰基异脲结构的物质，该物质在溶液中会迅速发生水解反应，然后加入N-羟基丁二酰亚胺溶液进行反应，生成更稳定的丁二酰亚胺酯，抑制水解，得到活性碳纳米管中间体。在此基础上，本专利技术采用的共价接枝的方法将谷氨酸修饰在碳纳米管表面，具体为：将活性碳纳米管中间体和谷氨酸溶液混合，通过反应在碳纳米管表面引入谷氨酸；同时，活性碳纳米管中间体中的丁二酰亚胺酯与谷氨酸中的氨基发生亲和取代反应，形成稳定的酰胺键，此时碳纳米管和谷氨酸之间以稳定的酰胺键连接，从而使得谷氨酸能够更加稳定的修饰在碳纳米管表面，不会在使用过程中从碳纳米管上脱落下来，克服了改性后碳纳米管材料不稳定的问题；另外，本专利技术中通过严格控制反应条件，如通过控制制备过程中的温度，减少了对碳纳米管材料本体的破坏，从而使得本专利技术谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料保持着较好的吸附去除能力。可见，由本专利技术方法制得的改性碳纳米管材料具有结构稳定、吸附能力强、稳定效果好等优点；同时，本专利技术制备方法具有工艺简单、容易操作、反应条件温和易控、成本低廉、耗能少、耗时短等优点，适于连续大规模批量生产，便于工业化利用。(4)本专利技术还提供了一种谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料在吸附水体中染料和重金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料，其特征在于，所述谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料包括碳纳米管，所述碳纳米管表面修饰有谷氨酸；所述谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料中羧基的质量含量为2％～3％。

【技术特征摘要】
1.一种谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料，其特征在于，所述谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料包括碳纳米管，所述碳纳米管表面修饰有谷氨酸；所述谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料中羧基的质量含量为2％～3％。2.一种如权利要求1所述的谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对碳纳米管进行氧化处理；S2、采用1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液对步骤S1中经氧化处理的碳纳米管进行活化，加入N-羟基丁二酰亚胺溶液进行反应，得到活性碳纳米管中间体；S3、将步骤S2中的活性碳纳米管中间体和谷氨酸溶液混合进行反应，得到谷氨酸修饰的碳纳米管复合材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述活化为将步骤S1中经氧化处理的碳纳米管与1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液混合，搅拌均匀；所述反应为在60℃～80℃下以转速为120rpm～200rpm搅拌1h～2h。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述经氧化处理的碳纳米管、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液和N-羟基丁二酰亚胺溶液的质量体积比为0.5g～1g∶10mL∶10mL；所述1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺溶液的浓度为0.05M～0.10M；所述N-羟基丁二酰亚胺溶液的浓度为0.05M～0.10M。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述活性碳纳米管中间体和谷氨酸溶液的体积比为1.2∶1；所述谷氨酸溶液的浓度为5g/L～10g/L。...

【专利技术属性】
技术研发人员：晏铭，宋彪，曾光明，龚继来，谭婷院，张鹏，曹伟成，李娟，唐旺旺，冯浩鹏，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43