【技术实现步骤摘要】
一种杂化二氧化锰气凝胶及其制备方法和应用
[0001]本专利技术属于气凝胶制备
，具体为一种杂化二氧化锰气凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
[0002]氨气(NH3)是促成雾霾形成的“催化剂”。所以臭氧和氨气这两种气体不仅在大气污染治理中分量重，在我们日常生活中也是常见的大气污染物，极度影响人类健康和生活质量，对植物也有损害作用。对这些影响人们生活较大的气体进行净化与处理，是关系到民生福祉的大事。
[0003]针对NH3和O3这些大气污染物，最好的方法就是从源头上进行治理，减少这些气体的产生。对于NH3，就是减少含氮化肥的使用，并对养殖场排放的NH3加强控制处理；但是臭氧的产生比较复杂，臭氧和其前驱物VOCs和NO
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的之间的关系是非线性的，O3的形成在农村地区取决于NO
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，而在城市地区则取决于NO
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和VOCs，导致源头治理的难度较大。因此，从传播过程中和末端进行治理，就是后手的选择。对传播过程中和末端的气体污染物进行治理，最常采用的方法有燃烧法、吸收法和吸附法等。在这些方法中，吸附法由于其独特的处理效果和使用材料的价格低廉，在大气污染物处理领域获得了广泛的青睐。吸附法主要是利用吸附剂的结构去容纳气体污染物，在吸附剂表面和内部的分子作用力或化学键力的作用下，污染物被吸附在材料的内部，从而实现气态污染物的有效处理。近几年快速发展的气凝胶材料，由于其内部充满孔洞可以容纳污染物的特性在污染物吸附领域崭露头角，从而促使研究者开始进行深入的研究。>[0004]锰氧化物(MnO
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)是具有较高的成本效益和远大的应用前景的催化剂。在大气污染物吸附方面，锰氧化物由于其高活性，低成本和环境友好性而得到了广泛的研究。在所有锰氧化物中，MnO2是应用最为广泛的，其价格较低，稳定性强，环境相容性较为优秀。MnO2的基本构筑晶格[MnO6]可以组装成不同孔径和形状的层状结构，从而具备了优秀的吸附性能。目前在大气污染控制方面，主要是使用MnO2作为催化吸附剂进行污染物吸附，近年来对MnO2材料在吸附领域的应用研究逐渐成为热点。但是，纯MnO2气凝胶之间的结构是依靠纳米片粒子之间的范德华力来维持的，导致该气凝胶的机械性能较差，在实际应用中具有很大的局限性。因此，将纯气凝胶与其他材料进行杂化，构造一个新的杂化气凝胶，以提高其机械性能，并同时增强材料的吸附性能，是一个有意义的研究方向。
[0005]近年来，许多学者将石墨烯材料和MnO2进行杂化，构造了MnO2/石墨烯杂化气凝胶，增强了材料的机械性能，除了应用在环境领域，还应用到超级电容等方面；但是石墨烯材料造价昂贵，制备麻烦，不适合在污染吸附方面大规模应用。除了最常用的石墨烯外，可以与MnO2进行杂化的其他材料还包括碳纳米管、聚苯胺等材料，这些材料的使用也遇到了和石墨烯同样的问题，其昂贵的价格和复杂的工艺限制了它们的实际应用。对此，本专利技术研究了一种杂化二氧化锰气凝胶，并将其用于吸附NH3和O3。
技术实现思路
[0006]针对上述问题本专利技术提供了一种杂化二氧化锰气凝胶及其制备方法和应用。主要是针对NH3和O3的污染问题，探究解决这些污染问题的方法。主要研究并制备了一种新型纤维素纳米纤维(CNF)/MnO2杂化气凝胶材料，并用该材料对NH3和O3进行吸附，来减缓它们对人们生活的影响。同时也为吸附其它的类似的气体，如硫化氢、VOCs等气体，提供思路，为减缓大气污染，提高人们的生活水平做出贡献。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种杂化二氧化锰气凝胶，所述杂化二氧化锰气凝胶的密度为3.03mg/cm，BET比表面积56.5016cm2·
g
‑1，总孔容为0.1317 cm3·
g
‑1，平均孔径为9.3271nm。
[0009]第二方面，本专利技术提供了一种杂化二氧化锰气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1，以KMnO4、HCl和SDS为原料，采用自下而上的方法制备MnO2纳米片；纳米粒子最常使用的合成方法包括：自上而下和自下而上，使用自上而下的方法制备MnO2纳米薄片，其中涉及了大量MnO2的制备、离子交换和剥离，这通常会导致成本高昂且耗时较长。因此本专利技术采用自下而上制备的方法，通过MnO2分子之间的相互作用力自组装成纳米薄片，该方法简便快捷，可以控制形貌和厚度。
[0011]步骤2，纤维素纳米纤维的制备；
[0012]步骤3，采用步骤1的MnO2纳米片和步骤2的纤维素纳米纤维，利用冰模板法制备得到纤维素纳米纤维/二氧化锰杂化气凝胶，即所述的杂化二氧化锰气凝胶。
[0013]进一步，所述步骤1制备MnO2纳米片的具体过程为：先将十二烷基硫酸钠水溶液与盐酸溶液混合，接着添加超纯水，搅拌，将混合溶液搅拌均匀后，把混合液放入油浴锅中预加热；接着加入高锰酸钾溶液，搅拌均匀，继续加热，形成棕色絮状的沉淀物，用超纯水和无水乙醇依次对沉淀物进行清洗，洗涤完成后，重新分散于超纯水中形成悬浮液，将悬浮液过滤后干燥得到所述MnO2纳米片。
[0014]进一步，所述步骤2纤维素纳米纤维制备的具体过程为：先将竹粉与苯/乙醇萃取，去除蜡，颜料和油；然后将脱蜡的竹粉转移至1.4％酸化的NaClO2以溶解木质素；使用乙酸将溶液的初始pH值调节至3
‑
4；用5％KOH处理全纤维素粉末得到纯纤维素；在此过程中，半纤维素和二氧化硅溶解在碱溶液中；然后，先用1wt％的盐酸溶液，再用蒸馏水洗涤纯纤维素，直到呈中性，最后重新溶于超纯水中形成纤维素纳米纤维悬浮液，将悬浮液过滤后干燥得到所述纤维素纳米纤维。
[0015]进一步，所述步骤杂化二氧化锰气凝胶的制备过程为：将步骤1得到的MnO2纳米片分散在超纯水中，磁力搅拌后超声处理，然后向其中加入步骤2得到的纤维素纳米纤维；随后，将混合物在室温下通过超声和磁力搅拌处理，得到分散均匀的混合胶体溶液，将所获得的胶体溶液冷冻形成冰块，然后放入冷冻干燥机中冷干，制得纤维素纳米纤维/二氧化锰杂化气凝胶，即所述的杂化二氧化锰气凝胶。
[0016]进一步，所述十二烷基硫酸钠水溶液与盐酸溶液的浓度均为100mM，高锰酸钾溶液的浓度为50mM；十二烷基硫酸钠水溶液、盐酸溶液、超纯水和高锰酸钾溶液的体积比为10：1：88：0.5；添加超纯水后的搅拌时间为10分钟，油浴锅中预加热的温度为95℃，时间为15分钟；加入高锰酸钾溶液后继续加热时间为3小时。
[0017]进一步，所述竹粉为60目，竹粉与苯/乙醇的体积比为2：1，总用量为450mL，萃取时间为12小时；将脱蜡的竹粉转移至1.4％酸化的NaClO2以溶解木质素具体为，将脱蜡的竹粉在70℃下转移至1000mL 1.4％酸化的NaClO2；中5小时以溶解木质素；用5％KOH处理全纤维素粉末的温度为90℃，时间为2h；用1 wt％的盐酸溶液洗涤的温度为80℃，时间1小时。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种杂化二氧化锰气凝胶，其特征在于：所述杂化二氧化锰气凝胶为高度互连的多孔结构，其大孔大于20μm；密度为2.87～3.64mg/cm，BET比表面积56.5016cm2·
g
‑1，总孔容为0.1317cm3·
g
‑1，平均孔径为9.3271nm。2.一种权利要求1所述杂化二氧化锰气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，以KMnO4、HCl和SDS为原料，采用自下而上的方法制备MnO2纳米片；步骤2，纤维素纳米纤维的制备；步骤3，采用步骤1的MnO2纳米片和步骤2的纤维素纳米纤维，利用冰模板法制备得到纤维素纳米纤维/二氧化锰杂化气凝胶，即所述的杂化二氧化锰气凝胶。3.根据权利要求2所述的一种杂化二氧化锰气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1制备MnO2纳米片的具体过程为：先将十二烷基硫酸钠水溶液与盐酸溶液混合，接着添加超纯水，搅拌，将混合溶液搅拌均匀后，放入油浴锅中预加热；接着加入高锰酸钾溶液，搅拌均匀，继续加热，形成棕色絮状的沉淀物，用超纯水和无水乙醇依次对沉淀物进行清洗，洗涤完成后，重新分散于超纯水中形成悬浮液，将悬浮液过滤后干燥得到所述MnO2纳米片。4.根据权利要求2所述的一种杂化二氧化锰气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2纤维素纳米纤维制备的具体过程为：先将竹粉与苯/乙醇萃取，去除蜡，颜料和油；然后将脱蜡的竹粉转移至1.4％酸化的NaClO2以溶解木质素；使用乙酸将溶液的初始pH值调节至3
‑
4；用5％KOH处理全纤维素粉末得到纯纤维素；在此过程中，半纤维素和二氧化硅溶解在碱溶液中；然后，先用1wt％的盐酸溶液处理，再用蒸馏水洗涤纯纤维素，直到呈中性，最后重新溶于超纯水中形成纤维素纳米纤维悬浮液，将悬浮液过滤后干燥得到所述纤维素纳米纤维。5.根据权利要求2所述的一种杂化二氧化锰气凝胶的制...
【专利技术属性】
技术研发人员：智建辉，孙小倩，师泽鹏，陈婷，耿红，杨中航，冯雨航，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：
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