一种石墨烯基复合母粒及其制备方法和在脱臭滤网中的应用与流程

本发明涉及吸附材料，尤其是涉及一种石墨烯基复合母粒及其制备方法和在脱臭滤网中的应用。

背景技术：

1、脱臭型空气过滤网作为去除室内异味、提升空气质量的关键部件，应用需求日益增长，但市面上主流脱臭滤网仍以单一吸附材料（如活性炭、分子筛）或简单催化材料制备而成，核心用于处理室内常见恶臭气体，针对氨气、醋酸、乙醛这三种室内典型恶臭气体的高效协同去除技术较为匮乏。例如，专利cn114797313a中公开的一种具备抗菌除臭功能的复合材料空气滤网装置，该发明设置有除味机构，通过排气扇叶加快空气流通速率并不断进行换气，便于让过滤后的气体进入透气网筒内被内部的活性炭颗粒以及活性炭滤网吸附净化，并通过螺旋搅拌叶不断对活性炭颗粒进行搅拌能使得异味与其进行充分接触，从而便于提高整个装置的除味除臭效率和质量。专利cn110433870a中公开了一种用于空气过滤网的光催化材料、制备方法及其应用，该光催化材料是通过高分子材料的表面游离基团与钛酸酯化合物在醇类溶液中进行反应后，再经由水解获得的，其可以充分暴露于滤网高分子材料表层，对空气污染物具有高效的降解效率。

2、然而，单一吸附材料仅能实现物理吸附，易快速饱和、脱臭寿命短，且饱和后易发生恶臭分子二次释放，无法实现长效净化。单一催化材料对低浓度氨气、醋酸、乙醛的捕获能力弱，催化分解效率有限，难以兼顾三种气体的同步高效去除。

技术实现思路

1、本发明是为了克服现有技术中存在的上述问题，提供一种石墨烯基复合母粒及其制备方法和在脱臭滤网中的应用，通过两步原位沉淀法，实现了三种功能组分在石墨烯表面的分子级分散与键合，制得具备“物理吸附-化学吸附-催化氧化”多机制协同脱臭功能的复合母粒，可实现氨气、醋酸、乙醛三种恶臭气体的高效去除。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种石墨烯基复合母粒的制备方法，包括如下步骤：

4、（1）将石墨烯用酸溶液活化处理后得到活化石墨烯；

5、（2）将活化石墨烯分散在溶剂中，加入锆系前驱体原料进行原位沉淀，然后再加入稀土前驱体原料继续进行原位沉淀，将所得产物分离、洗涤、干燥、煅烧后得到石墨烯基三元复合粉体；

6、（3）将石墨烯基三元复合粉体与基体树脂、相容剂混合，经熔融共混、挤出、切粒，得到所述石墨烯基复合母粒。

7、本发明通过两步原位沉淀法，将锆系吸附剂和稀土催化剂与石墨烯进行有序复合，

8、构建了协同脱臭体系，专门针对氨气、醋酸、乙醛三种典型恶臭气体，实现多机制协同去除。本发明先加入可溶性锆盐进行原位沉淀，石墨烯表面经酸活化后引入了大量含氧官能团（-cooh、-oh），这些官能团在碱性条件下部分电离为带负电的 coo-和 o-；zr4+被这些负电性位点强烈静电吸引，同时与-o-形成zr-o-c共价键，实现化学锚定；随后，加入稀土类可溶性盐，碱性环境下同步形成稀土氢氧化物沉淀，稀土与剩余位点进行异质成核与生长，更多以小尺寸颗粒分布于石墨烯表面及锆系颗粒的间隙处，最后经煅烧形成稀土氧化物催化剂。由于zr4+离子具有+4价的高电荷、强亲氧性且电荷密度高，对带负电的含氧官能团产生较强的电荷吸附，能形成稳定的离子键，因此锆系吸附剂与石墨烯表面含氧官能团的结合能显著高于稀土离子。该差异决定了两种离子在竞争同一锚定位点时存在明确的优先级。相比之下，稀土离子（如ce3+、la3+）通常为+3价，电荷密度低，与含氧官能团的静电引力较弱，成键的稳定性弱。因此本发明先在石墨烯表面沉积锆系吸附剂，再沉积稀土催化剂，若顺序颠倒，后续加入的锆系前驱体因强位点已被稀土占据，无法在石墨烯表面找到足够的强结合位点进行牢固锚定，会导致在已生成的稀土颗粒表面发生非选择性沉积和团聚。

9、本发明所得催化剂中，石墨烯作为高比表面积载体，提供丰富的物理吸附位点，快速捕获并富集低浓度的氨气、醋酸、乙醛分子，将气体分子锚定在纤维表面，解决了低浓度有机气体捕获难、接触不充分的问题；锆系吸附材料作为化学吸附中心，利用其表面丰富的羟基与碱性氨气形成强配位键，实现对氨气的选择性化学吸附，弥补了单一物理吸附材料对碱性气体吸附容量低、易解吸的缺陷；稀土氧化物作为常温催化活性中心，在石墨烯的电子传输辅助下，可将吸附的醋酸、乙醛等有机分子高效催化氧化为二氧化碳和水，实现异味的彻底分解。

10、本发明将锆系吸附剂和稀土催化剂与石墨烯进行复合，可产生显著的协同增强效应。1、吸附-催化接力协同：石墨烯的高比表面积解决了低浓度有机气体接触不足的问题，为稀土催化中心提供了充足的反应底物；同时，催化中心将吸附的有机分子分解，释放了石墨烯和锆系吸附材料的吸附位点，实现了吸附位点的原位再生，大幅延长了材料的使用寿命，解决了传统吸附材料易饱和、寿命短的致命缺陷。2、电子传输协同：石墨烯优异的导电性为稀土催化反应过程中的电子转移提供了快速通道，降低了催化反应的活化能，显著提升了稀土氧化物的常温催化效率。

11、作为优选，步骤（1）中所述的酸溶液为浓硫酸与浓硝酸按体积比1:0.3-0.8组成的混合液，活化处理的固液比为1g:20-50ml，活化温度为50-80℃，活化时间为2-6h。

12、作为优选，步骤（2）中所述的锆系前驱体原料为可溶性锆盐；所述稀土前驱体原料为铈和/或镧的可溶性盐；活化石墨烯、锆系前驱体原料与稀土前驱体原料的质量比为1:0.5-3:0.3-2。

13、作为优选，步骤（2）中所述的溶剂为去离子水，加入锆系前驱体原料及稀土前驱体原料后先超声分散30~60min，然后将ph值调节至8.0-10.0，在60-90℃下原位沉淀2-h；第二步原位沉淀反应后进行1-2h老化处理；煅烧温度为400-600℃，煅烧时间为2-4h。

14、作为优选，步骤（3）中以质量百分数计，加入石墨烯基三元复合粉体5-10%，基体树脂88-94%，相容剂1-2%。

15、第二方面，本发明公开了一种使用上述制备方法制得的石墨烯基复合母粒。

16、第三方面，本发明公开了一种上述石墨烯基复合母粒在脱臭滤网中的应用，所述脱臭滤网的制备方法为：

17、s1：将所述石墨烯基复合母粒用于熔融纺丝，制得脱臭单丝；

18、s2：将所得脱臭单丝进行牵经处理，形成可织造的经丝与纬丝；

19、s3：将经丝与纬丝交织成网，热定型后得到所述脱臭滤网。

20、作为优选， s1中将石墨烯复合母粒与树脂基体混合熔融纺丝制成脱臭单丝；或将以石墨烯复合母粒作为皮层，树脂基体作为芯层，熔融纺丝制成皮芯型的脱臭单丝。

21、作为优选，s2中的牵经速度为500-1500m/min。

22、作为优选，s3中的织网的经纬密度为33±2*30±2pcs/inch；热定型温度为120-150℃，定型时间10-30s。

23、因此，本发明具有如下有益效果：

24、（1）吸附-催化协同作用：石墨烯作为多功能载体，一方面利用其超大比表面积和吸附性能，配合锆系化学吸附组分实现恶臭分子的快速捕获和富集；另一方面利用其优异的导电性能，作为电子传输介质，降低稀土类氧化催化组分的催化氧化活化能，促进恶臭分子的催化分解，实现“吸附富集→原位催化→无害排放”的闭环脱臭，解决了单一吸附易饱和、单一催化效率低的问题；

25、（2）稳定性强，使用寿命长：稀土类氧化催化组分和锆系化学吸附组分原位生长于石墨烯表面，再与树脂基体通过界面相容剂实现良好的界面结合，有效避免了催化/吸附组分在纺丝、使用过程中的脱落和团聚，提升了滤网的结构稳定性和脱臭长效性；

26、（3）无二次污染，适用范围广：本发明通过催化氧化将恶臭分子彻底分解为co2和h2o，无需频繁更换滤网，避免了吸附饱和后二次释放造成的污染；制备的滤网风阻低、透气性好，适用于室内、空调、新风系统、宠物环境、厨房等多种场景的脱臭净化。