[發明專利]一種殼聚糖水凝膠的制備方法與應用

在審

• 申請號: 201710816606.6
• 申請日: 2017-09-12
• 公開（公告）號: CN109482110A
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 李福偉;劉志明;劉國亮;夏春谷;趙澤倫;龍向東;高廣
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所蘇州研究院
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00;B01J27/24;B01J23/75;B01J35/10;C07C45/38;C07C47/54;C07C1/20;C07C15/46
• 代理公司: 蘇州慧通知識產權代理事務所(普通合伙) 32239
• 代理人: 丁秀華

本發明公開了一種殼聚糖?植酸水凝膠的制備方法及制備碳氣凝膠材料的方法。該水凝膠的制備方法包括如下步驟：將一定質量的殼聚糖分散在去離子水中并用酸調節pH值，使其形成質量濃度為1％～10％(重量比)的殼聚糖酸性水溶液，然后邊攪拌邊加入植酸水溶液，使得植酸與殼聚糖的質量比為0.5～5，混合均勻后放入冰箱冷藏1～3小時，得殼聚糖/植酸水凝膠。該水凝膠經過冷凍干燥處理后得到干凝膠，得到的干凝膠再經高溫碳化(500～1500℃)即得N、P共摻雜的具有高比表面積的碳氣凝膠材料。該方法原料安全無毒，廉價易得，操作簡單，滿足工業化生產要求。

技術領域

本發明屬于復合材料技術領域，一種殼聚糖水凝膠的制備方法及其制備的碳材料在催化反應中的應用。

背景技術

多孔碳材料具有高的比表面積、高的孔隙率、良好的導電性、價格低廉、優越的熱穩定性和力學性能及獨特的化學性能，被廣泛應用于多相催化和電化學等領域。制備多孔碳材料的方法包括生物質的直接碳化法、溶膠凝膠法、軟模板法和硬模板法等方法。

溶膠凝膠法由于可以實現各前驅體在分子水平的均勻混合而被廣泛利用(MarkusAntonietti.Chem.Mater.2014，26，196-210)。如間二苯酚和甲醛在酸或堿的催化作用下聚合，經過老化等處理得到間二苯酚-甲醛凝膠，再經過后續的過濾、干燥及高溫碳化等步驟得到最終的N摻雜多孔碳材料(Pekala，R.W.；Farmer，J.C.；Alviso，C.T.；Tran，T.D.；Mayer，S.T.；Miller，J.M.；Dunn，B.J.Non-Cryst.Solids 1998，225，74-80)。另有研究人員用苯胺與植酸溶解在水中，在過硫酸銨的存在下聚合得到苯胺-植酸水凝膠，再通過冷凍干燥和高溫碳化得到氮、磷共摻雜的多孔碳材料(Jintao Zhang；Zhenghang Zhao；ZhenhaiXia；Liming Dai.Nature Nanotech.2015，10，444-452)。

但是目前很多用于制備凝膠的單體材料(如甲醛、苯胺)及引發劑(如過硫酸鹽)等對人有毒害作用，且價格相對較高，或者制備過程繁瑣，不易大量制備。而殼聚糖和植酸都是來源于生物質，具有良好的生物相容性，具有環境友好、來源豐富和廉價易得等優點。此外，殼聚糖和植酸制備水凝膠只需要將兩者水溶液均勻混合外加降溫處理即可，步驟十分簡單，可大量制備。殼聚糖和植酸分別具有高的氮和磷含量，可實現氮，磷共摻雜，有助于拓寬碳材料的應用范疇。但到目前為止，還沒有任何關于植酸和殼聚糖制備殼聚糖水凝膠的報道。

發明內容

為了克服以往用于制備凝膠的單體材料(如甲醛、苯胺)及引發劑(過硫酸鹽)等對人有毒害作用，和制備過程繁瑣不易大量制備等缺點，本發明的目的在于提供一種新的環境友好的可大量生產的制備殼聚糖水凝膠的方法、及在此基礎上獲得高比表面積N、P共摻雜碳材料的方法，即用殼聚糖和植酸制備水凝膠，不使用任何模板，冷凍干燥后，采用直接高溫碳化來獲得多孔碳材料。

為實現上述目的，本發明提供了提供的技術方案是：將一定質量的殼聚糖分散在去離子水中并加少量的濃鹽酸使其形成質量濃度為1％～10％(重量比)的殼聚糖酸性水溶液，然后邊攪拌邊加入植酸水溶液，使得植酸與殼聚糖的質量比為0.5～5，混合均勻后放入冰箱冷藏1～3小時，得殼聚糖/植酸水凝膠。此外，上述水凝膠經過冷凍干燥處理后得到干凝膠，得到的干凝膠再經高溫碳化(500～1500℃)即得N、P共摻雜的具有高比表面積的碳材料。

優選地，所述殼聚糖酸性水溶液的制備包括：將脫乙酰度大于95％、粘度為100～200mpa.s的殼聚糖加入到水中，并在攪拌下加少酸使其形成pH為2.0±1.5的酸性水溶液，其中殼聚糖的質量濃度為1％～10％。

優選地，使用的交聯劑為植酸水溶液。

優選地，植酸與殼聚糖酸性水溶液在室溫下強烈攪拌混合，形成均勻溶液。

優選地，殼聚糖/植酸水溶液冷藏形成水凝膠的溫度為2～30℃。