多孔纳米复合材料制造技术

一种制品，包括包含多个支撑体的多孔支架结构。该制品还包括设置在支撑体中的至少一个上的多个金属或非金属纳米材料。多个金属或非金属纳米材料的每一个均直接结合至支撑体的至少一个。

Porous Nanocomposites

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多孔纳米复合材料相关申请本申请要求2017年3月24日提交的名称为“用于多种污染物捕获的多孔纳米复合材料吸附剂(POROUSNANOCOMPOSITESSORBENTSFORMULTIPOLLUTANTCAPTURE)”的美国临时专利申请第62/476,166号的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本申请总体上涉及多孔纳米复合材料及制造和使用其的方法。
技术介绍
可以在各种流体介质中发现污染物。出于多种原因，可能期望去除污染物。但是，去除污染物的挑战包括制造去除污染物的设备的成本以及这些设备的效率。
技术实现思路
本公开的制品包括多孔支架结构，该多孔支架结构包括多个支撑体。该制品还包括设置在支撑体中的至少一个上的多个金属或非金属纳米材料。多个金属或非金属纳米材料中的每一个均直接结合到支撑体中的至少一个上。本公开进一步包括一种用于从流体介质去除污染物的系统。该系统包括至少部分地设置在流体介质内的制品。该制品包括多孔支架结构，该多孔支架结构包括多个支撑体。制品还包括设置在支撑体中的至少一个上的多个金属或非金属纳米材料。多个金属或非金属纳米材料中的每一个均直接结合到支撑体中的至少一个上。本公开还包括一种制造多孔纳米复合材料的方法。该方法包括将多孔制品至少部分地浸泡在流体介质中。流体介质包括一种或多种非金属、金属、金属盐、金属酸或它们的混合物。该方法还包括加热多孔制品以还原一种或多种非金属、金属、金属盐、金属酸或它们的混合物。该方法还包括由一种或多种非金属、金属、金属盐、金属酸或它们的混合物在多孔制品上形成多个金属或非金属纳米材料。使用所公开的制品、系统和方法有多个优点，其中一些是意料不到的。例如，根据本公开的各个实施方式，诸如海绵等多孔制品可用于吸收流体并在其上形成金属或非金属纳米材料。根据各个实施方式，流体中的金属离子能够扩散到海绵材料中，其中它们被海绵的基质支撑并稳定。加热后，在海绵的纤维表面和纤维内均会形成小颗粒。如果没有支撑结构，颗粒将形成不具有如小颗粒所需的特性的团聚体，即与污染物种类的反应性较低。本文的所得多孔纳米复合材料制品可用于多种应用，包括污染物去除、化学合成和催化、防污等。附图和以下描述中阐明了一个或多个实例的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，本公开的其它特征、目的和优点将是显而易见的。附图说明附图通过实例而非限制性的方式总体上示出了本文中讨论的各个实施方式。图1是根据各个实施方式的海绵的截面图。图2是示出根据各个实施方式的制造多孔纳米复合材料的方法的流程图。图3A是示出用于由柔性多孔支架结构32生产柔性金属和/或非金属纳米复合材料制品40的系统30的示例图。图3B是示出用于由刚性多孔支架结构52生产刚性金属和非金属纳米复合材料制品60的系统50的示例图。图4A是根据各个实施方式的纳米材料在聚氨酯支撑体上的还原和颗粒生长的示意性描述图。图4B是根据各个实施方式的聚氨酯海绵的照片和显微照片。图4C是根据各个实施方式的铁纳米颗粒吸附剂的照片和显微照片。图5示出了根据各个实施方式的热还原各种金属离子前体后的聚氨酯(PU)海绵的照片以及海绵表面的扫描电子显微镜(SEM)图像。图6A是示出根据各个实施方式的磷捕获(％)随时间(s)变化的图。图6B是示出根据各个实施方式的磷捕获(％)随浓度(mg·L-1)变化的图。图6C是示出根据各个实施方式的磷捕获(％)随pH变化的图。图6D是示出根据各个实施方式的未经处理的和经处理的湖水样品的各种污染物浓度(mg·L-1)的图。图6E是示出根据各个实施方式的未经处理的和经处理的废水样品的各种污染物浓度(mg·L-1)的图。图7A是示出根据各个实施方式的砷捕获(％)随时间(s)变化的图。图7B是示出根据各个实施方式的砷捕获(％)承受pH变化的图。图8A是根据各个实施方式的设置在聚氨酯海绵支撑体上的铁纳米颗粒材料上的蓝藻生长的照片。图8B是根据各个实施方式的在80％聚酯和20％棉的服装材料上合成的银颗粒的照片。图8C是根据各个实施方式的在80％聚酯和20％棉的服装材料的线上合成的银颗粒的照片。图9A是根据各个实施方式的多孔陶瓷支撑体的照片。图9B是根据各个实施方式的铁纳米材料多孔陶瓷支撑体的照片。图10A是示出根据各个实施方式的用于由七水硫酸亚铁制造多孔铁纳米复合材料制品的示例性方法的流程图。图10B是示出根据各个实施方式的用于由氯化铜(II)制造多孔铜纳米复合材料制品的示例性方法的流程图。图10C是示出根据各个实施方式的用于由亚硒酸制造多孔硒纳米复合材料制品的示例性方法的流程图。图10D是示出根据各个实施方式的用于由硫酸铝铵制造多孔铝纳米复合材料制品的示例性方法的流程图。图10E是示出根据各个实施方式的用于由硫酸镍(II)制造多孔镍纳米复合材料制品的示例性方法的流程图。图10F是示出根据各个实施方式的用于由六水硝酸锌制造多孔锌纳米复合材料制品的示例性方法的流程图。图10G是示出根据各个实施方式的用于由硫酸钛水合物制造多孔钛纳米复合材料制品的示例性方法的流程图。图11是示出根据各个实施方式的用于由硝酸银制造银纳米复合材料纺织品的示例性方法的流程图。具体实施方式现在将详细参考所公开主题的某些实施方式，其示例部分地示出在附图中。尽管将结合所列举的权利要求描述所公开的主题，但应当理解的是，所例示的主题并非旨在将权利要求限制于所公开的主题。根据本公开的各种实例，多孔纳米复合材料制品可包括多孔支架结构，多孔支架结构中包括多个支撑体。多个金属或非金属纳米材料设置在支撑体中的至少一个上。多孔支架结构可以由许多合适的材料或材料的组合形成。作为合适材料的非限制性示例，多孔支架结构可以由有机材料或无机材料形成。有机材料或无机材料可以包括树脂、金属、玻璃、陶瓷、硅、活性炭、纺织品或其组合。例如，纺织品可以包括作为支撑体的多个丝束，海绵可以包括作为支撑体的多个纤维，并且陶瓷可以包括作为支撑体的孔之间的多个纤维或材料。在一些实例中，多孔支架结构可以由粒状多孔材料形成。例如，代表多孔支架结构的支撑体的多孔材料的颗粒可以被保持在一起以形成多孔支架结构。可以使用的多种粒状多孔材料包括但不限于活性炭、聚合物珠、硅砂、氧化锆、氧化铝、无烟煤等。尽管多孔支架结构可以采用许多合适的结构，但非限制性实例是海绵。海绵可以包括柔软的多孔的材料，这些材料的特征在于它们能够强烈吸收和保留流体。图1中示出了海绵的示例，它是海绵10的截面图。如图1所示，海绵10包括纤维12。纤维12部分地在海绵中形成孔14。如图所示，孔14的尺寸(例如直径)为约100纳米。在其它实例中，海绵10或任何其它结构中的孔14的尺寸可以为约50纳米至约500纳米，约150纳米至约450纳米，约200纳米至约400纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制品，包括：/n包含多个支撑体的多孔支架结构；和/n设置在所述支撑体中的至少一个上的多个金属或非金属纳米材料，/n其中所述多个金属或非金属纳米材料中的每一个均直接结合至所述支撑体中的至少一个。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170324 US 62/476,1661.一种制品，包括：
包含多个支撑体的多孔支架结构；和
设置在所述支撑体中的至少一个上的多个金属或非金属纳米材料，
其中所述多个金属或非金属纳米材料中的每一个均直接结合至所述支撑体中的至少一个。


2.根据权利要求1所述的制品，其中多个所述纳米材料中的每一个具有在约5nm与约500nm之间的直径。


3.根据权利要求1所述的制品，其中所述多孔支架结构是海绵，其中所述海绵包括多个纤维，并且其中多个所述纳米材料的至少一部分设置在所述纤维中至少一个的表面上，并且多个所述纳米材料的至少一部分设置在所述纤维中至少一个的内部。


4.根据权利要求3所述的制品，其中所述多个纤维包括选自聚氨酯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯或它们的混合物的一种或多种聚合物。


5.根据权利要求1所述的制品，其中所述多孔支架结构是多孔陶瓷。


6.根据权利要求1所述的制品，其中多个所述纳米材料包含占所述金属或非金属纳米材料的约1wt.％至约100wt.％之间的一种或多种金属、非金属或金属氧化物。


7.根据权利要求6所述的制品，其中所述金属或非金属中的至少一种选自硒、铜、铝、锌、铁、镍、钙、镁、钛、银、锰、它们的混合物或它们的合金。


8.根据权利要求5所述的制品，其中金属氧化物中的至少一种选自铁氧化物、氧化铜、氧化铝、氧化锌、氧化镍、氧化锰、氧化镁或它们的混合物。


9.根据权利要求1所述的制品，其中所述多孔支架结构包括纺织品并且所述多个金属或非金属纳米材料包含银或铜中的至少一种。


10.一种制备多孔纳米复合材料的方法，所述方法包括：
将多孔支架结构至少部分地浸泡在溶液中，所述溶液包含：
一种或多种非金属、金属、金属盐、金属酸或它们的混合物；
加热所述多孔支架结构以将所述一种或多种非金属、金属、金属盐、金属酸或它们的混合物还原；以及
由所述一种或多种非金属、金属、金属盐、金属酸或它们的混合物在所述多孔支架结构的多个支撑体中的至少一个支撑体上形成多个金属纳米材料，从而形成所述多孔纳米复合材料；
其中多个金属或非金属纳米材料中的每一个均直接结合至所述支撑体中的至少一个。


11.根据权利要求10所述的方法，其中所述一种或多种金属、非金属、金属盐、金属酸或它们的混合物包含七水硫酸亚铁、氯化铜(II)、亚硒酸、硫酸铝铵、硫酸镍(II)、六水硝酸锌、硫酸钛水合物、硝酸银或它们的组合中的至少一种。


12.根据权利要求10所述的方法，其中所述一种或多种金属、非金属、金属盐、金属酸或它们的混合物的浓度在约0.001M与约5M之间。


13.根据权利要求10所述的方法，其中所述多孔支架结构至少部分地浸泡在pH为约2与约9之间的所述溶液中。


14.根据权利要求10所述的方法，其中所述金属纳米材料形成在所述多孔支架结构的外表面和内表面中的至少一个上。


15.根据权利要求10所述的方法，其中在约100℃至约500℃范围内的温度下加热多孔制品。


16.根据权利要求10所述的方法，其中所述多孔支架结构包含纺织品，一种或多种金属包含硝酸银，并且所述多个金属或非金属纳米材料包含银纳米材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿卜杜努尔·阿巴斯，约翰·布罗克格赖滕斯，斯诺伯·阿迈德，法特米·海达里，
申请(专利权)人：明尼苏达大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US