CN101759213A - 一种金属粉制备层状双金属氢氧化物的方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属粉制备层状双金属氢氧化物的方法，属于双金属氢氧化物技术领域。首先用二价金属粉或其氢氧化物、三价金属粉或其氢氧化物、可溶性盐和去离子水按一定比例配置成水热溶液。然后将该溶液放置在水热釜中，在静置状态下水热反应，产物经分离和水洗后烘干即得层状双金属氢氧化物。本发明的优点在于，可以一步直接制备出层状结构规整的层状双金属氢氧化物，和传统方法相比，工艺流程简单，设备投资少，成本和能耗低。

Description

一种金属粉制备层状双金属氢氧化物的方法
技术领域
本发明属于双金属氢氧化物技术领域。特别是提供了一种金属粉制备层状双金属氢氧化物的方法。
背景技术
层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides，简写为LDHs)是一类重要的无机功能材料，具有类似于水镁石的层状结构，层中因部分二价阳离子被三价阳离子替代，使层板带正电荷，层间充填有平衡电荷的阴离子以及水分子，其化学通式是[M2+ 1-xM3+ x(OH)2]x+(An-)x/n·yH2O)。由于具有独特的阴离子交换性、层板组成的可设计性、结构的可恢复性而在催化、吸附、环境、医药、纳米材料、功能高分子材料等领域得到广泛的应用。LDHs在化学、化工领域可用作催化剂与催化剂载体；在医药行业用作新一代抗酸与胃粘膜保护剂；在功能性材料领域用作红外、紫外吸收和阻隔材料；在塑胶行业，可用作抗菌添加剂、阻燃剂和PVC稳定剂；在环保领域，它们对许多有毒有害阴离子有强烈的吸附作用，因此在水质净化、污水处理、污染防治和环境修复等方面有广阔应用前景。
目前，LDHs通常是通过共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、焙烧复原法和离子交换法等传统方法制备(G.Fornasari，M.Gazzano，D.Matteuzzi，F.Trifro，A.Vaccari，Appl.Clay Sci.，10，69，1995；M.A.Aramendia，V.Borau，C.Jimenez，M.Marinas，J.R.Ruiz，F.J.Urbano，J.Solid State Chem.，168，156，2002；I.Pausch，H.H.Lohse，K.Schurmann，R.Allmann，Clays Clay Miner.，34，507，1986；J.Rocha，M.del Arco，V.Rives，J.Mater.Chem.，9，2499，1999；M.A.Drezdzon，Inorg.Chem.，27，4628，1988)。共沉淀法制备LDHs易于进行，但反应产物为胶状，洗涤、过滤困难，反应中消耗大量的NaOH，这些NaOH和原料中Cl-、SO4 2-反应，生成低价值的NaCl和Na2SO4而排除，不利于环境保护，成本高。溶胶-凝胶法制备过程中要使用有机溶剂，成本高容易造成环境污染，且层间阴离子不纯和形貌不规则。焙烧复原法和离子交换法属于间接合成法，主要是以合成的LDHs为前驱体，来进一步制备得到层间含不同阴离子的LDHs。另外，中国发明专利(CN 1507944A)中采用MgCO3或Mg(OH)2为镁源，在高温下焙烧得到活性MgO，再与铝酸钠水溶液混合，加入NaOH和Na2CO3，通过搅拌得到MgAl-LDH，此反应操作流程过于复杂，同时限制条件很多，反应同样要消耗NaOH且成本高。上述传统方法制得的LDHs存在结晶度低，羟基化的层板有序度不够和层间阴离子不纯等缺点。鉴于此，目前采用金属粉末为原料，通过水热法一步合成了结构规整的层状双金属氢氧化物。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属粉制备层状双金属氢氧化物的方法，以金属粉为原料制备层状结构规整、有序度高的层状双金属氢氧化物。
本发明中以金属粉为原料制备得到的层状双金属氢氧化物，LDHs的化学通式是：[M2+ 1-xM3+ x(OH)2]x+(An-)x/n·yH2O，其中M2+代表二价金属离子Mg2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+中的任何一种或几种；其中M3+代表三价金属离子Al3+和Fe3+中的任何一种或两种；An-代表层间阴离子CO3 2-、NO3 -、Cl-、SO4 2-中的任何一种；0.2≤x≤0.4，0≤y≤2。制备步骤如下：
1、用二价金属粉或其氢氧化物、三价金属粉或其氢氧化物、可溶性盐和去离子水按一定比例配置成水热溶液。
2.将上述水热溶液放置在水热釜中，在静置状态下于130～210℃水热反应12～60小时。
3.将产物过滤或离心分离，并用去离子水洗涤2～3遍，于60～100℃下干燥8～24小时，得层状双金属氢氧化物。
步骤1中二价金属可以是Mg、Cu、Zn或Ni金属中的任何一种或几种；二价金属氢氧化物可以是Mg(OH)2、Cu(OH)2、Zn(OH)2或Ni(OH)2等金属氢氧化物中的任何一种或几种。三价金属可以是Al或Fe金属中的任何一种或两种；三价金属氢氧化物可以是Al(OH)3或Fe(OH)3金属氢氧化物中的任何一种或两种。可溶性盐可以为K+、Na+、NH4 +等阳离子的碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐或氯化物。
步骤1中二价金属或其氢氧化物与三价金属或其氢氧化物的摩尔比例在1～5之间，更佳的比例在2～4之间。制备层间为OH-的层状双金属氢氧化物不需要加入可溶性盐；当层间阴离子为其它类型时，可溶性盐与二价金属或其氢氧化物和三价金属或其氢氧化物两者之和的摩尔比例在0.8～4之间，更好的比例在1～2.5之间。此外，二价金属或其氢氧化物与水的摩尔比例在0.005～0.05之间，其中以0.01～0.03之间较佳。
步骤2较佳的反应条件是在150～180℃下反应20～48小时。
本发明的优点：可以一步直接制备层状结构规整的层状双金属氢氧化物。和传统方法相比，工艺流程简单，设备投资少，成本和能耗低。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1：
将0.8摩尔镁粉(Mg)与氢氧化铝(Al(OH)3)和碳酸氢钠(NaHCO3)按4∶1∶5的摩尔比例置于装有1000ml水溶液的水热釜中，于150℃水热反应48小时，最后把产物分离水洗，在70℃下干燥12小时，即得层间阴离子为碳酸根的镁铝LDHs。
实施例2：
将1.0摩尔镁粉(Mg)与氢氧化铝(Al(OH)3)和碳酸钠(Na2CO3)按2∶1∶6的摩尔比例置于装有1000ml水溶液的水热釜中，于180℃水热反应20小时，最后把产物分离水洗，在60℃下干燥24小时，即得层间阴离子为碳酸根的镁铝LDHs。
实施例3：
将0.8摩尔镁粉(Mg)与氢氧化铝(Al(OH)3)和氯化钠(NaCl)按3∶1∶10的摩尔比例置于装有1000ml水溶液的水热釜中，于140℃水热反应54小时，最后把产物分离水洗，在80℃下干燥10小时，即得层间阴离子为氯离子的镁铝LDHs。
实施例4：
将0.5摩尔镁粉(Mg)与氢氧化铝(Al(OH)3)和按4∶1的摩尔比例置于装有1000ml水溶液的水热釜中，于190℃水热反应16小时，最后把产物分离水洗，在100℃下干燥8小时，即得层间阴离子为氢氧根的镁铝LDHs。
实施例5：
将1.6摩尔氢氧化镁(Mg(OH)2)与铝粉(Al)和碳酸钠(Na2CO3)按2∶1∶5的摩尔比例置于装有1000ml水溶液的水热釜中，于180℃水热反应24小时，最后把产物分离水洗，在70℃下干燥10小时，即得层间阴离子为碳酸根的镁铝LDHs。
实施例6：
将0.5摩尔镁粉(Mg)与铝粉(Al)和碳酸氢钠(NaHCO3)按3∶1∶6的摩尔比例置于装有1000ml水溶液的水热釜中，于180℃水热反应36小时，最后把产物分离水洗，在60℃下干燥18小时，即得层间阴离子为碳酸根的镁铝LDHs。
实施例7：
将0.8摩尔镁粉(Mg)与氢氧化铁(Fe(OH)3)和碳酸氢钠(NaHCO3)按2.5∶1∶5的摩尔比例置于装有1000ml水溶液的水热釜中，于160℃水热反应36小时，最后把产物分离水洗，在70℃下干燥12小时，即得层间阴离子为碳酸根的镁铁LDHs。
实施例8：
将1.0摩尔锌粉(Zn)与氢氧化铝(Al(OH)3)和氯化钠(NaCl)按4∶1∶5的摩尔比例置于装有1000ml水溶液的水热釜中，于170℃水热反应30小时，最后把产物分离水洗，在60℃下干燥20小时，即得层间阴离子为氯离子的锌铝LDHs。
实施例9：
将1.3摩尔氢氧化锌(Zn(OH)2)、铜粉(Cu)、铝粉(Al)和碳酸氢钠(NaHCO3)按1∶1∶1∶5的摩尔比例置于装有1000ml水溶液的水热釜中，于150℃水热反应48小时，最后把产物分离水洗，在60℃下干燥20小时，即得层间阴离子为碳酸根的铜锌铝LDHs。
实施例10：
将1.3摩尔氢氧化镍(Ni(OH)2)与铝粉(Al)和碳酸钠(Na2CO3)按2.5∶1∶5的摩尔比例置于装有1000ml水溶液的水热釜中，于160℃水热反应40小时，最后把产物分离水洗，在80℃下干燥10小时，即得层间阴离子为碳酸根的镍铝LDHs。

Claims (3)

1.一种金属粉制备层状双金属氢氧化物的方法，其特征在于，制备步骤为：
(1)用二价金属粉或其氢氧化物、三价金属粉或其氢氧化物、可溶性盐和去离子水按一定比例配置成水热溶液；
(2)将上述水热溶液放置在水热釜中，在静置状态下于130～210℃水热反应12～60小时；
(3)将产物过滤或离心分离，并用去离子水洗涤2～3遍，于60～100℃下干燥8～24小时，得层状双金属氢氧化物。
二价金属为Mg、Cu、Zn或Ni金属中的任何一种或几种；二价金属氢氧化物为Mg(OH)2、Cu(OH)2、Zn(OH)2或Ni(OH)2金属氢氧化物中的任何一种或几种；三价金属为Al或Fe金属中的任何一种或两种；三价金属氢氧化物为Al(OH)3或Fe(OH)3氢氧化物中的任何一种或两种；可溶性盐为K+、Na+或NH4 +阳离子的碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐或氯化物；
二价金属或其氢氧化物与三价金属或其氢氧化物的摩尔比例在1～5之间；
制备层间为OH-的水滑石不需要加入可溶性盐；当层间阴离子为其它类型时，可溶性盐与二价金属或其氢氧化物和三价金属或其氢氧化物两者之和的摩尔比例在0.8～4之间；
二价金属或其氢氧化物与水的摩尔比例在0.005～0.05之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，二价金属或其氢氧化物与三价金属或其氢氧化物的摩尔比例在2～4之间；可溶性盐与二价金属或其氢氧化物和三价金属或其氢氧化物两者之和的摩尔比例在1～2.5之间；二价金属或其氢氧化物与水的摩尔比例在0.01～0.03之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水热反应条件为150～180℃下反应20～48小时。
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