[发明专利]一种高性能生物纤维素碳气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高性能生物纤维素碳气凝胶及其制备方法和应用。该制备方法包括生物质纤维素的制备、金属MoS₂纳米颗粒的制备、浸渍处理、液氮固化处理、冷冻干燥、高温煅烧等步骤。本发明将生物纤维素先后浸渍在柠檬酸和金属MoS₂纳米颗粒的溶液中，同时进行冷冻固化和冷冻干燥处理，再进行高温煅烧处理。柠檬酸富含羧基，能增加纤维与Mo⁴⁺的结合能力；生物纤维素是一种具有高含水量的水凝胶，纤维较长，能显著提高气凝胶的孔隙率和柔韧性，金属MoS₂纳米颗粒能赋予气凝胶良好的防火性能。本发明制得的生物纤维素碳气凝胶具有可压缩、防火性能好﹑超疏水的优点。

技术领域

本发明属于气凝胶功能材料生产领域，具体涉及一种高性能生物纤维素碳气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

气凝胶一般是指水凝胶被除去其中的溶剂，获得的一种空间网状结构中充满气体，外表呈固体状的多孔材料，具有低密度﹑高比表面积及高孔隙率的特点。气凝胶是目前已知最轻的固体材料，也是迄今为止保温性能最好的材料，在众多领域有着广泛而重要的应用价值，被称为“改变世界的神奇材料”。

所谓碳气凝胶是指气凝胶经高温惰性气体碳化而得到的，三维结构的碳气凝胶具有诱人的物理性能和美好的应用潜力。在可再生能源转换和环境科学中得到了广泛的应用，特别是，碳气凝胶的电子可以沿着碳气凝胶的三维碳骨架快速运动，而分级多孔结构可以提供高比表面积和高可达性。这些独特的结构特性使碳气凝胶作为多相催化剂载体、吸附剂和电极材料，可以在超级电容器和电池中具有很好的应用前景。现如今人们期待以可再生资源为基础，采用更高效、可持续的方法大规模生产高性能碳气凝胶，以促进其实际应用。

基于目前常规的碳气凝胶制备过程中会涉及到有害物质且设备复杂，过程繁琐，性能不高的现状，有必要寻求一种可持续的方法以生产高性能的碳气凝胶，使其具有良好的隔热耐火性和疏水性，赋予其高附加值，满足特种材料的需要。

发明内容

为了克服现有碳气凝胶生产技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高性能碳气凝胶的制备方法。

本发明将块状生物纤维素凝胶液膜先后浸入柠檬酸和兼具耐火性和疏水性能的金属MoS₂纳米颗粒的混合溶液中，同时对浸渍后的生物纤维素凝胶液膜进行液氮冷冻处理，使其保持住立体结构；然后再进行冷冻干燥处理，最后再进行高温煅烧处理，得到可压缩的具有优越的防火﹑超疏水的碳气凝胶。

本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法得到的高性能生物纤维素碳气凝胶。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种高性能生物纤维素碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)生物纤维素的制备：将木醋杆菌接种到含有椰子水的发酵培养基中通过在30～35℃，相对湿度40～55％RH条件下发酵生物合成生物纤维素凝胶液膜；

(2)金属MoS₂纳米颗粒的制备：将氧化钼﹑硫代乙酰胺﹑尿素按照(10～12)：(12～14)：(0.1～0.2)的质量比进行水热反应，对产物进行纯化处理得到纯化后的MoS₂，将其配制成悬浮液；

(3)浸渍处理：将步骤(1)中的生物纤维素凝胶液膜先后浸渍在柠檬酸和MoS₂的悬浮液中；

(4)液氮固化处理：将步骤(3)处理后的生物纤维素凝胶液膜用液氮进行冷冻固化处理，得到块状固体；

(5)冷冻干燥：在步骤(4)所得的块状固体进行冷冻干燥处理，得到生物纤维素气凝胶；

(6)高温煅烧：将步骤(5)得到的生物纤维素气凝胶进行高温煅烧处理，接着冷却，制得所述高性能生物纤维素碳气凝胶。