[发明专利]一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种片状木质素基生物碳/水滑石复合纳米材料及其制备方法和用途，属于材料科学技术领域。

背景技术

碳材料，如碳黑、碳纤维、碳纳米管、富勒烯、石墨烯等，由于具有超高的机械强度和导电导热性能等特点，在各领域有着极其广泛且重要的应用。然而，这些碳材料通常需要以石化资源作原料，采用较昂贵的仪器设备，或生产工艺方法复杂，导致碳材料成本较高。因此，如何摆脱碳材料对石化资源的依赖，降低生产成本，简化工艺方法，成为碳材料研究领域的关键问题。

在这些碳材料当中，二维石墨烯由于其具有高比表面积、超高电子迁移率、良好的导电能力和高光学透光率等优点，在电磁、光学、能源、传感等领域有着巨大的应用潜力和前景。自2004年发现石黑烯以来，它推动了整个材料研究领域向二维纳米材料的发展。

生物质具有来源广、可再生、无毒环保、成本低等优点，利用其作原料制备碳材料或将解决常规碳材料生产成本高、工艺复杂等问题。值得注意的是，由生物质制备二维碳纳米材料势必会最大化生物碳的附加值和应用潜力。目前，关于制备具有二维纳米结构生物碳材料的研究报道非常少。公开号为CN 105800599 A的专利公开了一种利用多孔豆壳制备氮自掺杂多孔石墨烯的方法。该方法制备的生物碳石墨烯具有较高的比表面积、孔容量和良好的导电性能，可应用于能量存储、超级电容器等方面。而关于其它生物质原料制备二维碳纳米材料的研究报道暂未发现。

水滑石，又称层状双金属氢氧化物(LDH)，是指层间具有可交换阴离子的层状结构化合物，其化学组成可由如下通式表示：[M^II_1-xM^III_x(OH)₂]^x+(A^n-_x/n).mH₂O，其中M^II和M^III分别为二价和三价阳离子，位于主体层板的八面体空隙；A^n-为价数为-n的层间阴离子，x为M^Ⅲ的摩尔数，m为水合数。水滑石的板层结构是由金属氢氧八面体通过共用边相互连接而成，带正电，层与层对顶叠加，层间以氢键缔合，层间有可交换的阴离子作为平衡离子，使整个结构呈电中性。水滑石材料种类繁多，已在催化、吸附、医药等方面得到广泛应用。公开号为CN 104609415 B的专利公开了一种用有机阴离子插层水滑石并在惰性气体下煅烧碳化得到石墨烯的方法，可实现石墨烯的大规模化生产。然而，该方法所使用的有机阴离子依赖石化资源，且价格相对于木质素等生物质材料更加昂贵。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明利用水滑石的结构和物理特性，提供一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料及其制备方法，以减少二维碳材料对石化资源的依赖，并最大化木质素基生物碳的价值，其可用作吸附、催化、能量存储或电磁等材料。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料，其特征在于，由经过焙烧处理的水滑石与木质素原料制备而成，其比表面积为200-1200m²/g，孔容积为0.2-0.8cm³/g，电阻率为0.2-3.0Ω·m。

一种片状生物碳/水滑石复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)焙烧：将水滑石在400-700℃下焙烧1-6小时，制得复合双金属氧化物；

(2)还原：将一定量步聚(1)中制得的复合双金属氧化物加入到提纯后的木质素溶液中，充分搅拌1-12小时，离心洗涤，取出沉淀并在60-80℃下干燥，得到木质素/水滑石复合物；

(3)高温碳化：在惰性气体保护下，将步骤(2)中制备得到的木质素/水滑石复合物升温到600-1200℃碳化2-8小时，得到片状木质素基生物碳/水滑石复合纳米材料。

按上述方案，步骤(1)中所述水滑石由下述方法制备得到：

将摩尔比为1.5～5.0：1：3.0～15的二价金属盐、三价金属盐、尿素溶解到已去除二氧化碳的去离子水中，于80-105℃下搅拌12-48小时，将反应产物过滤、洗涤、干燥，得到水滑石。