[发明专利]一种竹制纳米纤维素/还原氧化石墨烯复合碳气凝胶的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于功能材料的制备和污染物处理领域，涉及一种竹制纳米纤维素/还原氧化石墨烯复合碳气凝胶的制备方法及其应用。

背景技术

石油泄漏和含油工业废水的排放等引起的水污染在全世界范围内造成了严重的能源、环境和生态问题。吸附技术由于操作简单和效率高，被广泛用于去除有机溶剂污染物。近年来，多孔碳材料在吸油方面的表现引起了人们广泛关注。碳气凝胶作为一种新兴的多孔碳材料，具有低表观密度、高空隙率和表面疏水性等性能，这些独特的物理性质能使它选择性地吸附油或疏水的有机溶剂。

石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料且拥有大的比表面积、高的电导率和优秀的化学和机械稳定性能等特性，是一种制备碳气凝胶的理想材料。然而，分散的石墨烯片层之间存在着较强的作用力，使其容易聚集，除此之外，相邻的石墨烯片层之间由于范德华力的作用，导致石墨烯碳气凝胶的骨架非常脆弱，机械性能较差。为了解决上述问题，目前，研究的主要方向是多组分掺杂，能有效提升石墨烯碳气凝胶的机械性能和拓展其应用领域。纳米纤维素具有优秀的弹性模量、高的拉升强度和大的比表面积等性能，而且其表面丰富的表面官能团和亲水性，使其易于与其他纳米材料结合用于构建新的复合材料。

发明内容

本发明以竹子为原料，通过TEMPO氧化法和超声剥离法制备了纳米纤维素，并利用乙二胺诱导氧化石墨烯与纳米纤维素混合溶液形成凝胶，再结合冷冻干燥和高温热解的方法制备了低密度、疏水、多孔和阻燃性的竹制纳米纤维/还原氧化石墨烯复合碳气凝胶，并用于吸附油与有机溶剂污染物，显示出了高的吸附容量。采用生物质来源的纳米纤维素作为掺杂的原料，不仅能够提升碳气凝胶材料的机械性能，还能有效降低石墨烯碳气凝胶的制备成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种竹制纳米纤维素/还原氧化石墨烯复合碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将竹子切成小块，水洗烘干后，再利用粉碎机粉碎后过筛，制成竹粉末；取一定量的竹粉末用滤纸包好，置于索式提取器中，利用甲苯和乙醇的混合溶液于一定温度下反复洗涤一段时间，接着将样品烘干；

步骤2、将步骤1得到样品加入到pH为5.0，浓度为1.4％的亚氯酸钠溶液中进行反应，并重复多次，直至样品变成白色；再将得到的样品加入氢氧化钾溶液水浴加热反应一段时间，最后再用1％的盐酸溶液进行反应，并洗涤至中性，烘干；

步骤3、将步骤2得到的样品分散到水溶液中，并依次加入一定量的溴化钠，四甲基哌啶(TEMPO)，混合搅拌均匀后，向其中滴加一定量的次氯酸溶液，用氢氧化钠或盐酸溶液调节溶液pH，并维持在pH＝10.0，进行水浴反应，反应结束后，再将溶液pH 调至中性，洗涤烘干；

步骤4、将步骤3得到的样品分散到水溶液中，利用搅拌机搅拌一段时间，形成均匀的样品溶液，再将溶液利用细胞破碎仪超声一段时间，然后高速离心，除去未反应的固体，得到均一透明的竹制纳米纤维素溶液；

步骤5、取步骤4得到的竹制纳米纤维素溶液向其中加入适量的氧化石墨烯和乙二胺溶液，将混合溶液置于高温水浴中反应，一段时间后，得到竹制纳米纤维素/氧化石墨烯复合水凝胶，并将其在适宜的水浴温度下，搅拌洗涤一段时间，并重复多次，用以除去其中残留的乙二胺；

步骤6、将步骤5得到的材料冷冻干燥后，将其置于管式炉中，程序升温至加热温度，在高温氮气条件下加热碳化一段时间，得到纳米纤维素/还原氧化石墨烯复合碳气凝胶。

步骤1中，竹粉末所过筛目为40～60目，竹粉末样品与甲苯乙醇混合溶液的质量体积比为1g:20～200mL，甲苯与乙醇的体积比为2:1，洗涤时间为6～24h，洗涤温度为90℃。

步骤2中，样品与亚氯酸钠溶液的质量体积比为1g:20～100mL，重复次数为3～8 次。

步骤2中，氢氧化钾溶液的质量浓度为2％，样品与氢氧化钾溶液的质量体积比为 1g:20～100mL，

加入亚氯酸钠溶液后，反应温度75℃，反应时间1h；

加入氢氧化钾后，水浴加热温度为80～95℃，水浴加热时间为2～8h；

加入盐酸后，反应温度80℃，反应时间2h。

步骤3中，样品：溴化钠：TEMPO：次氯酸钠的质量比为1:0.1:0.016:0.074～0.370，水浴反应温度为25℃，水浴反应时间为1～6h；选用的调节pH值所用的氢氧化钠或盐酸溶液的浓度为0.1mol·L^-1。