一种氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术属于新材料制备领域，具体涉及一种氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶的制备方法。本发明专利技术先以纤维素为模板，正硅酸乙酯为硅源制备了纤维素/SiO2复合气凝胶，经过高温煅烧后得到生物炭/SiO2复合气凝胶，然后采用3

【技术实现步骤摘要】
一种氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶的制备方法


[0001]本专利技术属于新材料制备领域，特别涉及一种氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶的制备方法。

技术介绍

[0002]在城市发展、土地的利用和变迁过程中，地球上的绿色植被被大量砍伐，导致大自然自身的CO2净化能力下降。化石燃料燃烧产生的排放导致大气中CO2浓度不断增加，CO2所带来的环境问题愈发严重。因此针对CO2进行捕获对于解决全球变暖和温室效应问题具有重大意义。CO2捕获、利用和封存技术是被认为是快速减少大气CO2浓度最直接有效的技术手段之一。迄今为止，大规模的CO2分离工艺主要是液体胺吸收技术。通过使用单乙醇胺、二乙醇胺和甲基二乙醇胺水溶液来用于大规模捕获CO2。尽管吸收过程在捕获CO2方面已被证明是有效的，但仍然存在重大缺陷。主要问题在于液体胺的腐蚀性，在操作过程中易产生胺损失，以及再生过程中的能耗。
[0003]针对这种现状，国外多数机构开展了关于其他吸附剂的研制，并发现固体吸附剂具有较好的吸附效果。通过使胺官能团附着在高表面积固体上来克服这些限制。其中气凝胶因其低密度、高孔隙率、高比表面积、低导热系数、低介电常数等优异性能以及独特结构使其具有广阔的发展前景。传统的硅气凝胶力学性能差、易碎，而纤维素气凝胶不仅兼具了传统气凝胶和聚合物气凝胶优异性能，还具有优良生物相容性、可降解性，可作为增强硅气凝胶的优良支撑材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶的制备方法，可用于从空气中吸附CO2，并且对CO2具有较高的吸附性和选择性。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶的制备方法，包括：纤维素水解得到具有手性螺旋结构的纤维素纳米晶体，再与正硅酸乙酯反应制备纤维素/SiO2复合气凝胶；然后经过高温煅烧后得到生物炭/SiO2复合气凝胶；最后用3
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缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷和二乙烯三胺交联反应后的聚合物对生物炭/SiO2复合气凝胶进行氨基改性，得到氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶。
[0007]具体包括以下步骤：
[0008](1)浓硫酸与蒸馏水混合配制成浓硫酸水溶液，再将脱脂棉放入浓硫酸水溶液中，在45℃油浴中搅拌3h，然后倒入冰水中静置沉淀12h，再去除上清液，将下层悬浮液进行离心，透析纯化至pH＞2.4，得到具有手性螺旋结构的纤维素纳米晶体(CNCs)；
[0009](2)将具有手性螺旋结构的CNCs与正硅酸乙酯(TEOS)混合，在室温下匀速搅拌，然后将溶液静置，去除上清液后，将下层溶液用水和乙醇进行溶剂置换，再经超临界干燥后得到纤维素/SiO2复合气凝胶；
[0010](3)将纤维素/SiO2复合气凝胶放入管式炉中进行高温煅烧处理，得到生物炭/SiO2复合气凝胶；
[0011](4)将3
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缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)和二乙烯三胺(DETA)加入到四氢呋喃中，在70℃搅拌4h，再降温至25℃，继续搅拌25min，GPTMS的环氧基团与DETA的胺基反应形成高度交叉的化合物网络；然后加入生物炭/SiO2复合气凝胶、乙醇和硝酸，在室温下搅拌反应，SiO2与GPTMS发生缩合反应，使胺基接枝到复合气凝胶上，得到氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶。
[0012]优选的，步骤(1)中脱脂棉与浓硫酸水溶液的质量比为1：21；浓硫酸、蒸馏水与冰水的摩尔比为1：3：60。
[0013]优选的，步骤(2)中CNCs与TEOS的体积比为12：(1.8
‑
3.3)。
[0014]优选的，步骤(2)中室温匀速搅拌1h；溶液静置24h。
[0015]优选的，步骤(3)中高温煅烧的具体条件为：在N2保护下，加热至450℃煅烧6h。
[0016]优选的，GPTMS、DETA和TEOS的摩尔比为(5
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12)：(3
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4)：(8
‑
15)。
[0017]为了提高CO2吸附量，GPTMS、DETA和TEOS的摩尔比为(10
‑
12)：4：(8
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15)；进一步优选，GPTMS、DETA和TEOS的摩尔比为10：4：15。
[0018]优选的，步骤(4)中的室温下搅拌反应时间为1h。
[0019]本专利技术的有益效果如下：
[0020]1，以纤维素为模板，制备了纤维素/SiO2复合气凝胶，纤维素在煅烧成生物炭的过程中结构会变脆，介孔硅的掺杂可以有效地防止结构坍塌，且硅的掺杂可以增加材料的比表面积。同时纤维素水解过程中发生自组装行为，形成手性螺旋结构，提高对CO2的吸附性能。
[0021]2，纤维素属于碳素材料，实现以碳减碳、以碳制碳的目的。
[0022]3，对煅烧后的纤维素/SiO2复合气凝胶进行氨基改性，增强了材料对CO2的吸附选择性。
附图说明：
[0023]图1为实施例1中纤维素纳米晶体CNCs(a)、纤维素/SiO2复合气凝胶(b)、生物炭/SiO2复合气凝胶(c)和氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶(d)的SEM图；
[0024]图2为实施例1中纤维素纳米晶体CNCs(a)、纤维素/SiO2复合气凝胶(b)、生物炭/SiO2复合气凝胶(c)和氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶(d)的比表面积及孔径分布图；
[0025]图3为实施例1中纤维素/SiO2复合气凝胶、生物炭/SiO2复合气凝胶和氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶的XPS总谱图(a)和X射线光电子能谱图(b，c，d)；
[0026]图4为实施例2(a)、实施例3(b)、对比例1(c)和实施例1(d)对CO2、N2和Ar的吸附曲线图；
[0027]图5为不同纤维素纳米晶体结构对CO2的吸附曲线图；
[0028]图6为实施例1的氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶对CO2的吸附动力学循环图。
具体实施方式
[0029]实施例1
[0030](1)将75mL(1.38mol)浓硫酸加入到75mL(4.17mol)蒸馏水中，搅拌均匀，冷却至室温。然后将10g脱脂棉放入上述混合溶液中，在45℃油浴搅拌3h，再倒入1500mL(83.4mol)冰水中静置沉淀12h。将上清液倒出，取下层悬浮液进行离心，透析纯化至PH值大于2.4得到具有手性螺旋结构的CNCs。
[0031](2)取12mL CNCs和2mL(0.0089mol)TEOS混合，在室温下匀速搅拌1h，然后静置溶液24h，待溶液分层，去除上清液，将下层溶液采用乙醇和水进行溶剂置换，然后用超临界二氧化碳进行干燥，得到纤维素/SiO2复合气凝胶。
[0032](3)将纤维素/SiO2复合气凝胶放入管式炉中，在N2、450℃条件下煅烧6h，得到生物炭/SiO2复合气凝胶。
[0033](4)将1.24本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：纤维素水解得到具有手性螺旋结构的纤维素纳米晶体，再与正硅酸乙酯反应制备纤维素/SiO2复合气凝胶；然后经过高温煅烧后得到生物炭/SiO2复合气凝胶；最后用3
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缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷和二乙烯三胺交联反应后的聚合物对生物炭/SiO2复合气凝胶进行氨基改性，得到氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶。2.根据权利要求1所述的氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)浓硫酸与蒸馏水混合配制成浓硫酸水溶液，再将脱脂棉放入浓硫酸水溶液中，在45℃油浴中搅拌3h，然后倒入冰水中静置沉淀12h，再去除上清液，将下层悬浮液进行离心，透析纯化至pH＞2.4，得到纤维素纳米晶体；(2)将纤维素纳米晶体与正硅酸乙酯混合，在室温下匀速搅拌，然后将溶液静置，去除上清液后，将下层溶液用水和乙醇进行溶剂置换，再经超临界干燥后得到纤维素/SiO2复合气凝胶；(3)将纤维素/SiO2复合气凝胶放入管式炉中进行高温煅烧处理，得到生物炭/SiO2复合气凝胶；(4)将3
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缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷和二乙烯三胺加入到四氢呋喃中，在70℃搅拌4h，再降温至25℃，继续搅拌25min；然后加入生物炭/SiO2复合气凝胶、乙醇和硝酸，在室温下搅拌反应，得到氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶。3.根据权利要求2所述的氨基改性生物炭/SiO2复合气凝胶的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：季标，郑旭东，徐子淮，李忠玉，荣坚，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：