[发明专利]一种阳离子化甘蔗负载纳米银复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种阳离子化甘蔗负载纳米银复合材料及其制备方法和应用，属于材料合成技术领域。本发明的阳离子化甘蔗负载纳米银复合材料，是采用四乙基氢氧化铵和1,3‑二甲基脲合成的低共熔溶剂对甘蔗进行预处理，然后加入阳离子剂2,3‑环氧丙基三甲基氯化铵进行阳离子改性，以得到的阳离子化甘蔗作为载体，利用甘蔗中的木质素组分的还原性，将银离子还原成银纳米颗粒固定在载体表面，得到阳离子化甘蔗负载纳米银复合材料。本发明的复合材料的制备方法条件温和、绿色无毒、可降解、可再生，工艺简单可行，制得的复合材料能有效提高对可见光的吸收，可有效吸附催化去除染料废水中的刚果红和甲基橙，具有良好的经济价值和应用前景。

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，具体涉及一种阳离子化甘蔗负载纳米银复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着人们环保意识增加，提高生物质的高效利用和染料废水的处理方法具有重要意义。其中，贵金属纳米颗粒对染料在化学还原和脱色过程中起的作用逐渐引起了专家学者的广泛关注。尤其是银纳米颗粒(简称纳米银)作为新型功能性材料逐渐引起人们的重视，因其具备纳米材料的独特性质，已经广泛应用于抗菌、催化剂、医药和新能源等多个领域。

应用最广泛的银纳米颗粒还原方法为化学法，该方法需要额外添加还原剂和稳定剂如联氨、水合肼、抗坏血酸等化学试剂，对人体和环境有一定损害。且制备出的银纳米粒子在分离、处理及存放过程中易出现相互连接、由多个颗粒形成较大的颗粒团簇的现象，影响实验效果。因此，选取一种既具备还原性能又具备丰富的网络结构作为载体骨架，使银离子还原成银纳米颗粒且不产生团聚至关重要。

生物法利用植物中某些还原组分原位生成贵金属纳米粒子得到越来越多的关注。甘蔗作为一种三维多孔材料，含有丰富的还原性成分木质素。甘蔗内部的自然通道和通道上的纳米气孔可作为天然的反应平台及银纳米粒子负载的骨架，其中含有多种还原性木质素组分的官能团，如苯酚和甲氧基，可以在一定条件下将银离子还原为银纳米粒子，原位还原固定银纳米颗粒，能很好的缓解银纳米粒子团聚效应。但甘蔗细胞壁上纤维束紧密缠绕，暴露出的可用还原性木质素基团有限，不利于银纳米粒子的还原。因此，需要对甘蔗原材料进行预处理。但通常的预处理方法如机械处理需要较大耗能、酶处理方法处理效率较低等均存在诸多不足。

低共熔溶剂(DESs)具有易制备、毒性低和可生物降解的特性，可作为甘蔗预处理的绿色溶剂或反应剂。此外，DES可以回收和再利用，有助于降低生产成本。从结构上看，DES由至少一个氢键供体(HBD)和一个氢键受体(HBA)组成，具有较强的氢键和较低的熔点，四乙基氢氧化铵和1,3-二甲基脲合成的低共熔溶剂在常温下即可混合为无色透明液体。专利公开号CN115160591A公开了一种利用碱性低共熔溶剂快速高效解构木质纤维素的方法，其碱性低共熔溶剂是由氢键受体、氢键供体和碱性助剂混合，苄基三甲基氯化铵和多元醇组成的二元系统，额外添加碱性助剂为硫化钠对木质素进行解构。该方法虽然可以成功解离木质纤维素，但需要额外添加碱性助剂达到反应条件，易污染环境。

为赋予DES预处理后的甘蔗功能性，在DES存在下添加阳离子剂，使得阳离子基团接枝到纤维素的羟基位点，对阴离子染料有更好的静电吸引力。2,3-环氧丙基三甲基氯化铵具有较高的阳离子化效率和商业价值。根据纤维素阳离子化的科学研究，改性过程是一个醚化反应，以2,3-环氧丙基三甲基氯化铵为改性剂，改变材料的吸附能力或对不同电荷性质污染物的吸附性能，同时，季铵盐具有较低的细胞毒性，被认为是一种很有前途的改性材料。

因此，需要寻找一种不用额外反应试剂、制备工艺简单、反应条件温和且耗能低的绿色改性生物质原位还原银纳米颗粒的方法。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种阳离子化甘蔗负载纳米银复合材料及其制备方法和应用，利用阳离子改性后的甘蔗中木质素的还原性，将银离子还原成银纳米颗粒固定在阳离子化甘蔗三维网络表面，得到阳离子化甘蔗负载纳米银复合材料。本发明材料具备良好吸附性能和催化性能，可应用于有机染料的吸附去除。且该材料的制备工艺绿色无污染，反应条件温和、耗能低。