[发明专利]胺化磁性微球-碳基-层状双氢氧化物复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种胺化磁性微球‑碳基‑层状双氢氧化物复合材料及其制备方法和应用，该制备方法包括：制备胺化磁性微球‑碳基复合材料，与LDH前驱物、尿素和水混合，水热反应，得到本发明复合材料。本发明制得的胺化磁性微球‑碳基‑层状双氢氧化物复合材料具有比表面积大、吸附位点多、稳定性好、易分离、环境优化等优点，可作为吸附剂广泛用于吸附水体中的重金属，能够实现对水体中重金属的有效去除，有着很高的实用价值和广泛的应用前景。本发明制备方法还具有工艺简单、过程可控、可连续生产、原料来源广泛且价格低廉、操作和反应条件简单、能耗低、无需特殊的化工设备等优点，适合于大规模制备，便于工业化应用。

技术领域

本发明属于功能纳米材料对环境污染的修复技术领域，涉及一种重金属吸附材料，具体涉及一种胺化磁性微球-碳基-层状双氢氧化物复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳基材料具有环境友好、价格低廉、比表面积高、较大的孔隙率、易于修饰等特点，在能源、分离提纯、电极材料、传感器以及环境污染修复等领域具有广泛的应用。在环境修复领域，最为常用的碳基材料主要是碳纳米管(CNTs)、生物炭(BC)、活性炭(AC)、碳布、氧化石墨烯(GO)等，这些碳材料在环境领域已被应用于去除废水、沉积物的重金属污染。但是碳基材料本身的性质并不适用所有应用情形，如水溶性差、易团聚、不易回收等缺点。而通过采用化学调控、引入杂原子、多材料杂化等调控优化手段，可以对碳材料的尺寸、骨架构造、微孔结构、表面性质等关键性质进行修饰，使其具有更加优异的性能，从而可以定向应用于各个领域。例如，引入金属纳米粒子可以增加复合碳基材料的比表面积、提高传质速率并提供快速电子转移、增强碳基-纳米材料对环境污染物的吸附、降解和转化性能等。另外，碳基材料与磁性纳米颗粒的结合是增强碳基材料对重金属修复性能和分离性能的常用手段。通常来说，磁性粒子(Fe²⁺，Fe³⁺)的引入大多是通过在制备过程中添加Fe²⁺或Fe³⁺，在溶剂挥发过程中凝结成为Fe₃O₄磁性粒子，分布在碳材料孔道或者表面，然而，这种方法中的磁性粒子并不具备一致的纳米结构和可控形态，也会使得磁性粒子堵塞或破坏碳材料的孔道结构，由此可能会降低复合材料表面的官能团数量和稳定性，进而影响碳复合材料对重金属的吸附和稳定效果。因此，如何调控磁性粒子的纳米结构、制备具有规整形貌结构的磁性微球，并且确保磁性微球在碳材料上的有效负载，对于改善碳材料的表面特性、获得一种比表面积大、吸附位点多、结构稳定的增强型碳基复合材料是十分重要且非常必要的。

层状双氢氧化物(LDH，Layered Double Hydroxides)是离子型层状复合材料，具有表面积大和丰度的层状结构，有优良的离子交换性能、化学稳定性、改性可能性，并且尺寸和组成成分具有可控性，成本低且环保，因此在废水和沉积物重金属处理方面具有很强的潜力。然而，缺乏官能团和结构组成限制了单LDH对环境污染重金属的修复能力。基于此，由研究人员提出了将LDH与碳基材料相结合的策略，通过将LDH与碳基材料复合，引入官能团并改善碳基材料形貌结构，以提高对污染物的修复效能。但是，现有常规碳基LDH复合材料中，LDH与碳基材料之间主要是通过物理混合进行制备，由此获得的复合材料其稳定性仍然较差，不利于提高复合材料的吸附性能和使用寿命。另外，现有碳基-LDH复合材料的制备方法通常是两步合成法，如先合成LDH再与碳基材料分散液混合，或者制备的碳基材料直接干燥重新分散原位负载LDH，这些方法仍然存在材料再分散不均匀，合成的复合材料均匀度不足、结合不稳定等缺陷。因此，获得一种吸附性能优异、稳定性好、易分离、环境友好的碳基-LDH复合材料，以及与之相匹配的工艺简单、操作方便、成本低廉的制备方法，对于促进碳基-LDH复合材料的推广和应用具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种吸附性能优异、稳定性好、易分离、环境友好的胺化磁性微球-碳基-层状双氢氧化物复合材料及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：