[发明专利]一种木质素基生物碳/二氧化硅多尺度纳米杂化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种木质素基生物碳/二氧化硅多尺度纳米杂化材料及其制备方法，包括以下步骤：1)提纯：得提纯后的木质素溶液；2)杂化：得杂化后溶液；3)陈化：得陈化后溶液；4)过滤：得木质素/二氧化硅杂化材料；5)干燥和热处理：得木质素基生物碳/二氧化硅多尺度纳米杂化材料。相比于现有技术，本发明的有益效果是：1、杂化后的纳米二氧化硅粒子尺寸更细、更均匀，且增加其疏水性，不易团聚；2、具有更高的结构性，更高的孔容量。3、可再生，降低纳米二氧化硅生产成本的同时，木质素转变为可分散的纳米碳材料，使其价值最大化。4、可应用于吸附、催化、传感、能源、聚合物增强等领域。

技术领域

本发明涉及一种木质素基生物碳/二氧化硅多尺度纳米杂化材料及其制备方法和应用，属于化工生产方法技术领域。

背景技术

与传统材料相比，纳米材料因其某一维度的尺寸小于100nm，其表面电子结构和晶体结构发生明显变化，展现出许多常规材料所没有的性质，例如小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应和介电限域效应等。正是因为这些特殊的性质，纳米材料在各个领域都有着非常广泛的潜在应用，例如微电子、能源、光学、生物医药、催化、聚合物改性等领域。随着纳米科技的迅猛发展，为满足人类日益增长的多样化需求，纳米材料正朝着多元复合或杂化的方向发展，譬如有机-无机、无机-无机、有机-有机及生物活性-非生物活性等纳米结构的杂化材料。单一功能性纳米材料通过复合或杂化，可获得一些新的功能，从而扩大其应用范围。所谓的纳米杂化材料，是指两种不同成份的材料在纳米或分子尺度上，通过范德华力、氢键、静电作用或共价键等强弱相互作用形成的纳米材料。

在以往有关木质素与二氧化硅的研究当中，木质素常作为二氧化硅的模版剂使用，以减小沉淀法制备的二氧化硅颗粒尺寸；或者煅烧木质素与二氧化硅复合物形成碳化硅材料；再或者通过改性或直接酸沉淀制备木质素/二氧化硅复合物，以得到木质素改性的二氧化硅材料，增加其疏水性。这些研究均未使木质素与二氧化硅在分子尺度及纳米尺度形成杂化材料，且未阻止木质素的聚集，导致木质素颗粒较大，未能充分实现木质素的价值。此外，纳米二氧化硅与一些纳米碳材料如碳纳米管、石墨烯等形成的纳米杂化材料已有较多的文献和专利报道，这些碳/二氧化硅纳米杂化材料显示出单一组份纳米材料所不具备的优越性能，在能源、环境、催化、传感、聚合物增强等领域有着巨大的应用潜力。但是，这些碳/二氧化硅纳米杂化材料的制备工艺复杂，且使用的原材料成本较高或后处理工艺繁琐，导致不能大规模生产。而纳米二氧化硅与生物碳，尤其是与木质素基生物碳杂化形成多尺度杂化的纳米材料暂未见报道。通过木质素基生物碳与二氧化硅多尺度的纳米杂化，可充分体现木质素与二氧化硅各自优势，实现其最大价值，节约生产成本，并减少木质素对环境的污染。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种木质素基生物碳/二氧化硅多尺度纳米杂化材料及其制备方法，该木质素基生物碳/二氧化硅多尺度纳米杂化材料具有超高比表面积和超高孔容量，可应用于吸附、催化、传感、能源、聚合物增强等领域。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：一种木质素基生物碳/二氧化硅多尺度纳米杂化材料，其特征在于，由木质素原料和硅源制备而成，其BET比表面积为150-500m²/g，孔容积为0.1-0.6cm³/g。

按上述方案，所述木质素原料为碱木质素、硫酸盐木质素、亚硫酸盐木质素、木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸镁或酶解木质素中的一种或两种以上的混合物；所述硅源为纳米二氧化硅、硅酸纳、工业水玻璃、正硅酸乙酯中的一种或两种以上的混合物。

木质素基生物碳/二氧化硅多尺度纳米杂化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)提纯：将100g木质素原料分散于500-5000g水中，调节分散液的pH值至12-13，搅拌，提纯，得提纯后的木质素溶液；