[发明专利]一种石墨烯蚕沙微孔炭核壳复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯蚕沙微孔炭核壳复合材料及其制备方法与应用。先将蚕沙与水混合溶胀后冷冻干燥，再将冻干后蚕沙在保护气下制备成碳化蚕沙；再将碳化蚕沙和KOH混合，在保护气体中进行活化扩孔反应，将氧化石墨烯溶液与蚕沙基微孔炭材料混合后离心干燥得到氧化石墨烯蚕沙微孔炭核壳复合材料，再将该材料放入到等离子体反应器中，通入H₂气氛制备石墨烯蚕沙微孔炭核壳复合材料。该材料可以应用于农药缓控释方面。本发明的材料具有较高的比表面积和石墨烯包覆的核壳结构，能对农药有较高的吸附容量和较好的缓控释作用。

技术领域

本发明属于炭材料技术领域，具体涉及石墨烯蚕沙微孔炭核壳复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

农药能够有效地控制病、虫、草和其他有害生物对农作物的危害，它作为化学防治的重要手段，在农业生产中起着不可替代的作用。然而，在特定时间内只有少量的农药能到达作物靶标部位，而大部分农药直接释放到自然环境中导致农药利用效率低下。这部分未起到药效的农药会引起农产品农药残留超标、对非靶标生物的伤害以及环境污染等诸多负面问题。如何有效地提高农药的利用效率和靶向释放功能是目前农药领域亟待解决的主要问题之一。

缓控释技术是一种可通过物理或化学手段使农药活性成分在给定时间内缓慢释放于靶标部位，并使药物浓度在较长时间内维持在有效浓度以上的新型给药技术。生物多孔炭是具有较好吸附的材料之一，蚕沙基生物炭来源于桑蚕产业中的主要废弃物蚕沙，其在农村经常随意丢弃导致环境污染，从电镜结构观察可知蚕沙具有天然的三维褶皱结构且含碳量高，经高温碳化及活化可以获得高比表面多孔生物炭，且其表面还含有丰富的N(O)基团，通过对其改性可以提升其缓控释能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯蚕沙微孔炭核壳复合材料及其制备方法与应用。本发明先对蚕沙进行溶胀扩孔处理后再碳化，再在高温利用惰性气体保护对冻干后蚕沙进行活化处理，并在其外表面包裹氧化石墨烯，再通过等离子体改性的方式将其还原为石墨烯，制备得到石墨烯蚕沙微孔炭核壳复合材料。对该材料具有较高的比表面积和壳核结构，能对农药有较高的吸附容量和较好的缓控释作用。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明的石墨烯蚕沙微孔炭核壳复合材料为三维孔隙结构，其Langmuir比表面积为1100～1400m²/g，总孔容在0.5-0.7cm³/g，其中微孔比表面积和孔容占到总比表面积和孔容的80％以上。

本发明的石墨烯蚕沙微孔炭核壳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)原蚕沙与水混合溶胀后冷冻干燥，再将冻干后蚕沙在N₂、Ar气等保护性气体中通过高温碳化反应制备碳化蚕沙；

(2)将碳化蚕沙和KOH混合，在保护气体中进行活化扩孔反应，然后再清洗、离心以及烘干后得到高比表面蚕沙基微孔炭材料，清洗使用稀盐酸及水冲洗得高比表面蚕沙基微孔炭材料；

(3)将高比表面蚕沙基微孔炭材料与氧化石墨烯水溶液搅拌混合，离心干燥后，在H₂气氛保护下放入等离子体反应器，等离子体器的输入电压20～30V，改性时间10～20min；改性后用水清洗，烘干即可得到石墨烯蚕沙微孔炭核壳复合材料。

作为方案的进一步优选，步骤(1)原蚕沙与水混合质体比为1:100～200，混合温度为30～50℃，混合时间为0.5～3h。冷冻干燥过程为先在-25℃～-20C下预冷冻2～4h，而后降温至-60℃～-40℃冻干24～72h。

作为技术方案的优选，所述步骤(3)中蚕沙基微孔炭材料与氧化石墨烯水溶液质体比为1:50，氧化石墨烯水溶液质量浓度在5～10％，搅拌温度30～60℃，搅拌时间0.5～5.0h。

作为技术方案的优选，步骤(1)中冻干后蚕沙的碳化温度在700-1000℃，反应时间2～4h；