一种生物质气凝胶电极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种生物质气凝胶电极材料及其制备方法与应用，以富含植物单宁的生物质为主要原料，将富单宁生物质与聚苯胺进行混合，通过分子组装诱导，真空冷冻干燥得到生物质气凝胶；将生物质气凝胶构建为气凝胶电极，并以此电极组建电增强吸附体系进行复杂混合溶液中镓的高效选择性提取。本发明专利技术以废弃富植物单宁生物质为原料，经过分子组装诱导而得到高比表面积气凝胶，并在电流的驱动作用下实现对含镓溶液中镓的选择性提取，具有吸附容量高、吸附速率快等优点，为实现镓的高效提取具有重要的实践指导意义。有重要的实践指导意义。有重要的实践指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质气凝胶电极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及电化学吸附及废水处理
，具体涉及一种生物质气凝胶电极材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]镓是一种重要的稀散金属，在光电学材料、导电材料、催化剂、功能性材料、医疗、环境等领域都有相应的应用价值，致使镓作为一种新兴材料其市场需求越来越大。然而，在自然界中，金属镓一般没有独立矿床存在，主要伴生在铝土矿、闪锌矿和某些煤层中。由于镓在伴生矿中的痕量赋存及复杂提取体系中共存离子的干扰，严重制约其高效选择性富集。因此金属镓的高效富集与分离已成为我国面临的挑战与重大需求。
[0003]单宁结构上含有大量的酚羟基，且酚羟基之间的协同效应使得络合反应更易发生在单宁的邻苯二酚和连苯三酚上。酚羟基络合金属离子后会形成稳定的五元螯合环，这也是单宁可以吸附金属离子的主要原因。专利技术人在论文Persimmon peel
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based ion
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imprinted adsorbent with enhanced adsorption performance of gallium ions[J].Minerals Engineering,2022,176:107354和专利申请CN113249596A中已经证实基于富单宁生物质中的多邻酚羟基与镓离子的多齿络合配位可实现混合溶液中镓的选择性提取，但合成靶向吸附剂的比表面积以及吸附过程中的吸附驱动力是影响其吸附性能的主要制约因素。因此，如何提高吸附剂的比表面积，如何增强吸附过程中的驱动力，是实现混合溶液中镓的高效选择性富集急需解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种生物质气凝胶电极材料的制备方法，设备要求简单，制备成本低。
[0005]本专利技术的目的之二是提供由上述制备方法制得的生物质气凝胶电极材料，比表面积大。
[0006]本专利技术的目的之三是提供由上述生物质气凝胶电极材料在电吸附镓离子方面的应用，能实现镓离子的高效选择性富集。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种生物质气凝胶电极材料的制备方法，步骤包括：
[0009](1)将富含植物单宁生物质与水混合配制成生物质水凝胶，将聚苯胺纳米纤维与水混合配制成聚苯胺纳米纤维悬浮液，再将生物质水凝胶与聚苯胺纳米纤维悬浮液混合，并在pH＝1
‑
3的酸性环境下添加诱导剂戊二醛进行分子诱导组装反应；反应结束后，将混合液进行真空冷冻干燥，得到生物质气凝胶材料；
[0010](2)将步骤(1)得到的生物质气凝胶材料研磨过筛，再与导电物质、粘结剂按质量比1：8
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5：1
‑
4充分研磨混合均匀，加入有机溶剂进行超声分散；将混合均匀的浆料涂覆于导电碳纸上，用刮涂机涂抹均匀，烘干，得到气凝胶电极。
[0011]优选的，步骤(1)中，所述的富含植物单宁生物质的粒度小于74μm。
[0012]优选的，步骤(1)中，所述的生物质水凝胶的质量分数为0.5wt％
‑
2.5wt％，所述的聚苯胺纳米纤维悬浮液的质量分数为10wt％，所述的生物质水凝胶与聚苯胺纳米纤维悬浮液的体积比为1:1
‑
3:1。
[0013]优选的，步骤(1)中，所述的诱导剂戊二醛的添加量与聚苯胺纳米纤维的物质的量相等。
[0014]优选的，步骤(2)中，所述的导电物质为导电炭黑或乙炔黑，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯，所述的有机溶剂为N
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甲基吡咯烷酮。
[0015]优选的，步骤(2)中，所述的烘干温度为80
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100℃，烘干时间为24h。
[0016]优选的，步骤(1)中，所述的富含植物单宁生物质为柿子皮、茶叶梗、杨梅叶等。
[0017]第二方面，本专利技术提供由上述制备方法制得的生物质气凝胶电极材料。
[0018]经电化学循环伏安曲线和交流阻抗测试可知，该生物质气凝胶电极导电性能较好，电阻较小，具有良好的双电层特性。
[0019]第三方面，本专利技术提供由上述生物质气凝胶电极材料在电吸附镓离子方面的应用。
[0020]以生物质气凝胶电极为正极，活性炭电极为负极构成电增强吸附体系，对含镓混合溶液中镓离子进行高效选择性富集。
[0021]所述的生物质气凝胶电极和活性炭电极的有效面积为9cm2，极板间距为10mm，
[0022]本专利技术以废弃富含植物单宁的生物质为原料，通过与聚苯胺纳米纤维在羟醛缩合和亲核加成反应下诱导组装成一种生物质气凝胶；并以此气凝胶为电极构建吸附电增强体系，通过气凝胶的巨大比表面积和电增强体系中电流的驱动力，实现混合液中镓的高效富集提取。在本专利技术的研究范围内，该方法得到的生物质气凝胶电极对镓的饱和吸附容量可达909mg/g。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0024]1、本专利技术以富含植物单宁的废弃生物质为原料，通过与富含氨基的聚苯胺进行分子组装而得到具有高比表面积的气凝胶，并以此气凝胶为电极，在电流强度的驱动下实现对混合溶液中镓的快速、大容量提取。
[0025]2、本专利技术采用电增强体系进行混合液中镓的选择性提取，操作简单、富集效果显著，不仅实现废弃生物质的利用，而且提高镓的富集提取效能，为镓提取的工业化开展具有重要的实践指导意义。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例1制备的生物质气凝胶的实物图；
[0027]图2为本专利技术实施例1制备的生物质气凝胶的SEM图；
[0028]图3为本专利技术实施例2制备的生物质气凝胶电极的交流阻抗测试图；
[0029]图4为本专利技术实施例2制备的生物质气凝胶电极的循环伏安曲线；
[0030]图5为本专利技术实施例3构建电增强吸附体系示意图；
[0031]图6为本专利技术实施例3构建的电增强吸附体系在不同时间和电压下对含镓溶液的吸附特性；
[0032]图7为本专利技术实施例4中电增强吸附体系对不同浓度含镓溶液的吸附特性。
具体实施方式
[0033]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。
[0034]实施例1：生物质气凝胶的制备
[0035]将粒度小于74μm的柿子皮粉末与水混合配制成质量分数为1.5wt％的生物质水凝胶，并将聚苯胺纳米纤维与水混合配制成质量分数为10wt％聚苯胺纳米纤维悬浮液，将两者按照体积比为2:1的比例进行混合，将溶液pH值调节至3左右，并加入与聚苯胺纳米纤维等摩尔量的戊二醛为诱导剂进行分子诱导组装反应。将得到的混合液置于
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30℃冰箱中预冷冻，再放入真空冷冻干燥机中，经冷冻干燥48h，得到生物质气凝胶。
[0036]图1为合成的生物质气凝胶的实物图；图2为合成的生物质气凝胶的SEM图。由图1和图2可以看出具有丰富孔隙结构的生物质气凝胶已成功构建，且合成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质气凝胶电极材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：(1)将富含植物单宁生物质与水混合配制成生物质水凝胶，将聚苯胺纳米纤维与水混合配制成聚苯胺纳米纤维悬浮液，再将生物质水凝胶与聚苯胺纳米纤维悬浮液混合，并在pH＝1
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3的酸性环境下添加诱导剂戊二醛进行分子诱导组装反应；反应结束后，将混合液进行真空冷冻干燥，得到生物质气凝胶材料；(2)将步骤(1)得到的生物质气凝胶材料研磨过筛，再与导电物质、粘结剂按质量比1：8
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5：1
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4充分研磨混合均匀，加入有机溶剂进行超声分散；将混合均匀的浆料涂覆于导电碳纸上，用刮涂机涂抹均匀，烘干，得到气凝胶电极。2.根据权利要求1所述的一种生物质气凝胶电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的富含植物单宁生物质的粒度小于74μm。3.根据权利要求1所述的一种生物质气凝胶电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的生物质水凝胶的质量分数为0.5wt％
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2.5wt％，所述的聚苯胺纳米纤维悬浮液的质量分数为10wt％，所述的生物质水凝胶与聚苯胺纳米纤维悬...

【专利技术属性】
技术研发人员：高丽慧，曹亦俊，李树磊，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：