CN102060534A - 具有介孔孔壁的三维有序大孔La1-xSrxCrO3的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有介孔孔壁的三维有序大孔La1-xSrxCrO3(x=0,0.4)的制备方法。按照摩尔比1∶1将硝酸镧和硝酸铬溶于聚乙二醇400和无水甲醇混合液中,或按照摩尔比0.6∶0.4∶1将硝酸镧、硝酸锶及硝酸铬溶解于聚乙二醇400、无水甲醇和去离子水混合液中,并按硝酸铬与柠檬酸摩尔比1∶1加入柠檬酸,超声,加入P123的无水甲醇溶液再超声,形成均一溶液,调节金属离子浓度为2.0mol/L;将PMMA微球模板倾入溶液中浸渍、抽滤、干燥,将所得物质进行两步焙烧即可。本发明制备的La1-xSrxCrO3结晶度好,粒子形貌和孔尺寸可控,原料廉价易得,产物稳定性好,电导性高,具有巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有介孔孔壁的三维有序大孔钙钛矿型氧化物的制备方法,具体地说涉及以表面活性剂P123和柠檬酸辅助的硬模板法制备具有介孔孔壁的三维有序大孔钙钛矿型氧化物La1-xSrxCrO3(x=0,0.4)的方法,它属于纳微米功能材料合成领域。
背景技术
挥发性有机物(VOCs)污染大气环境,而催化氧化法是最有效的治理VOCs的手段,钙钛矿型氧化物(ABO3)则是理想的VOCs氧化的催化材料,其中以La1-xSrxMO3(M=Cr,Mn,Co)为最佳。将ABO3制成大孔/介孔材料,则可提高比表面积,其三维结构允许物质从各个方向进入孔内,降低物质扩散阻力,为物质的扩散提供最佳流速及更高的效率,在作为载体、催化剂、分离材料和电极材料等众多领域有着广阔的应用前景。
传统方法难以获得三维有序大孔的ABO3,而借助硬模板(如PMMA等纳微米球)则可制备出高比表面积三维有序大孔或介孔3DOM ABO3,人们借助硬模板剂(PS、PMMA、SiO2等)、软模板剂(表面活性剂)已合成出大量的三维有序大孔材料。然而大孔材料一般具有较小的比表面积,传质分子缺乏必要的反应场所,所以合成三维有序大孔材料并且使其孔壁具有微孔或中孔孔隙,进而大大提高材料的比表面积,这对于催化有着重要意义。Kim等(Y.N.Kim,et al.,S olid State Communications,2003,128,339-343)采用金属的醋酸盐为原料,将醋酸盐溶于2-甲氧基醇和硝酸的混合溶剂,把醋酸盐转化为醇盐,从而成功制备出了3DOM钙钛矿型复合氧化物La0.7Ca0.3MnO3。Ueda研究小组(Ueda,et al.,C hemistry of Materials,2005,17,3546-3551)报道了一种使用硝酸盐作为起始原料制备3DOM复合氧化物的方法,把各金属硝酸盐溶于乙二醇,然后将所得前驱体溶液填充到PS或PMMA胶体晶体模板内,前驱体能够在较低的温度(约为100℃)即模板被烧掉之前发生原位硝酸盐氧化而生成混合金属乙二醇盐,因此,液态前驱体得以固化形成骨架,再通过焙烧可以将多金属乙二醇盐转化为复合金属氧化物,同时将聚合物模板除去,这样可制备得到3DOM
La1-xSrxFeO3(x=0~0.4)。Xu等采用PMMA微球为硬模板,以硝酸镧,硝酸钴和硝酸铁为金属源,以乙二醇和甲醇为溶剂,将所得前驱物在空气气氛中于700℃焙烧后制得了钙钛矿型氧化物LaCoxFe1-xO3(x=0-0.5)(J.F.Xu,et al.,Catalysis Today,2010,153,136-142)。采用以上方法无法制备出孔壁具有介孔结构的三维有序大孔钙钛矿型氧化物。
本课题组采用表面活性剂三嵌段共聚物F 127(EO106PO70EO106)为软模板辅助聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)硬模板的双模板法,制备出了三维有序大孔结构的铈锆固溶体Ce1-xZrxO2(中国发明专利,专利号:ZL 200810104987.6);采用以硝酸铁为原料、以三嵌段共聚物P123为软模板和以PMMA微球为硬模板的双模板法制备出了具有介孔孔壁的三维有序大孔结构的Fe2O3(中国发明专利,申请号:200910243650.8);以甲醇和水为溶剂,添加L-赖氨酸或P123为软模板,浸渍PMMA微球硬模板后,采用两步焙烧法制备出具有介孔孔壁的三维有序大孔结构的LaMnO3(中国发明专利,申请号:201010241853.6);等等。我们发现加入软模板(即表面活性剂),可以促成三维有序大孔材料的孔壁形成介孔结构,从而大大地提高此类多孔材料的比表面积,也更利于反应物或吸附质分子的扩散与吸附。研发制备兼有大孔和介孔双模孔道结构的La1-xSrxCrO3(x=0,0.4)的方法具有重要意义,然而由于不同物质金属元素的物化性质有很大差异,单纯采用已有相关专利和文献方法无法得到具有介孔孔壁的规整三维有序大孔和类似晶体结构的其它物质。例如采用制备具有介孔孔壁的三维有序大孔结构的LaMnO3的专利(申请号:201010241853.6)所述方法无法得到本发明所述钙钛矿型氧化物La1-xSrxCrO3(x=0,0.4)。因此,必须针对元素的物化性质的不同,改进制备条件方能制备出目标产物。迄今为止,国内外文献和专利尚无报道过采用表面活性剂和柠檬酸辅助的硬模板法制备出具有介孔孔壁的规整三维有序大孔结构的单相正交La1-xSrxCrO3(x=0,0.4)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有介孔孔壁的三维有序大孔钙钛矿型氧化物La1-xSrxCrO3(x=0,0.4)的制备方法,其特征在于,引入表面活性剂三嵌段共聚物P123为软模板剂、柠檬酸为络合剂以及PMMA为胶晶硬模板,具体包括以下步骤:(1)按摩尔比1∶1称取La(NO3)3·6H2O和Cr(NO3)3·9H2O溶于聚乙二醇400(分子量为400)和无水甲醇配成的溶剂中,或按照摩尔比0.6∶0.4∶1将硝酸镧、硝酸锶及硝酸铬溶解于聚乙二醇400、无水甲醇和去离子水的混合溶剂中,常温搅拌,每0.01mol硝酸铬所用聚乙二醇400为1mL;(2)按照金属铬离子与柠檬酸摩尔比1∶1向上述溶液中加入柠檬酸,超声分散5min;(3)三嵌段共聚物P123用甲醇或去离子水溶解,按照总的金属盐∶三嵌段共聚物P123摩尔比为348∶1的比例加入P123;(4)将步骤(3)中得到的均一溶液倾入步骤(2)得到的前驱液中并超声分散5min,之后常温下搅拌4h,最后加入无水甲醇或去离子水定容使总金属浓度为2mol/L;(5)将上述混合液倾入装有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)硬模板的容器中,常压浸渍5h后抽滤并于室温下充分干燥(干燥时间≥12h);(6)将所得固体物质装入磁舟置于管式炉中,先在N2气氛下(20mL/min)以1℃/min的速率从室温升至500℃并在该温度下保持3h,待降至50℃后切换成空气气氛(20mL/min),再以1℃/min的速率升至750℃并在该温度下保持4h,即得到具有介孔孔壁的三维有序大孔的单相正交钙钛矿型氧化物La1-xSrxCrO3(x=0,0.4)。
本发明中,在室温下两种金属盐离子与柠檬酸形成络合盐、添加剂聚乙二醇400与前躯体盐在较低温度阶段反应生成聚乙二醇金属盐、超声分散、一定体积分数甲醇的存在、氮气氛围中的预灼烧以及各阶段灼烧温度的选择对规整三维有序结构的形成起到决定作用,而三嵌段共聚物P123软模板的加入则促使目标产物孔壁上介孔结构的形成。
本发明制备的具有介孔孔壁的规整三维有序大孔结构的La1-xSrxCrO3(x=0,0.4)单相材料结晶度好,产物粒子形貌和孔尺寸可控,原料廉价易得,产物热稳定性好,在超导材料、光子晶体、催化剂、分离、电极、电解质、热绝缘体等领域皆具有巨大的应用前景。
利用D8 ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)、ZEISS SUPRA 55型扫描电子显微镜(SEM)、JEOL-2010型透射电子显微镜(TEM)等仪器测定所得目标产物La1-xSrxCrO3(x=0,0.4)的晶体结构和粒子形貌。结果表明,依照本发明方法所制得的样品为单相正交La1-xSrxCrO3(x=0,0.4),具有规整的三维有序大孔结构,且孔壁上具有丰富的介孔结构。
附图说明
图1为所制得La1-xSrxCrO3(x=0,0.4)样品的XRD谱图,其中曲线(a)、(b)分别为实施例1样品LaCrO3和实施例2样品La0.6Sr0.4CrO3的XRD谱图;
图2为所制得的LaCrO3样品的SEM图;
图3为所制得的LaCrO3样品的TEM图;
图4为所制得的La0.6Sr0.4CrO3样品的SEM图;
图5为所制得的La0.6Sr0.4CrO3样品的TEM图。
具体实施方式
为了进一步了解释本发明,下面以实施例作详细说明,并结合附图描述本发明得到具有介孔孔壁的规整三维有序大孔结构的单相正交La1-xSrxCrO3(x=0,0.4)。
实施例1:称取12.99g La(NO3)3·6H2O和12.01g Cr(NO3)3·9H2O,置于50mL烧杯中,加入3.0mL聚乙二醇400和5.0mL无水甲醇,磁力搅拌形成均一前驱体盐溶液;向其中加入0.03mol的柠檬酸并超声分散5min;称取1.0g三嵌段共聚物P123置于50mL烧杯中,加入10mL无水甲醇,磁力搅拌1h后将其加入到上述前驱体盐溶液中,并继续超声分散5min;最后加入无水甲醇将整个溶液体系定体积为30mL,并继续实施磁力搅拌4h;将上述混合液倾入装有1.0g PMMA硬模板的50mL烧杯中,为保持PMMA的原有有序排列,在此混合液倾入过程中不搅拌;混合液浸渍PMMA 5h后抽滤,将得到的样品在室温下干燥24h,随后将样品装入磁舟置于管式炉中,先在N2气氛下(20mL/min)以1℃/min的速率从室温升至500℃并在该温度下保持3h,待降至50℃后切换成空气气氛(20mL/min),再以1℃/min的速率升至750℃并在该温度下保持4h,即得到具有介孔孔壁的三维有序大孔结构的单相正交钙钛矿晶相LaCrO3,大孔孔径为60~120nm,孔壁介孔孔径为2~8nm,LaCrO3样品的XRD谱图、SEM图和TEM图见图1、图2和图3。
实施例2:称取7.79g La(NO3)3·6H2O、2.54g Sr(NO3)2和12.01g Cr(NO3)3·9H2O,置于50mL烧杯中,加入3.0mL聚乙二醇400、5.0mL无水甲醇和5.0mL去离子水,磁力搅拌形成均一前驱体盐溶液后,向其中加入0.03mol的柠檬酸后超声分散5min;称取1.0g三嵌段共聚物P123置于50mL烧杯中,加入3.0mL无水甲醇和2.0mL去离子水,磁力搅拌1h后将其加入到上述前驱体盐溶液中,继续超声分散5min,最后加入去离子水将整个溶液体系定体积为30mL,并继续实施磁力搅拌4h;将上述混合液倾入装有1.0g PMMA硬模板的50mL烧杯中,为保持PMMA的原有有序排列,在此混合液倾入过程中不搅拌;混合液浸渍PMMA 5h后抽滤,将得到的样品在室温下干燥24h,随后将样品装入磁舟置于管式炉中,先在N2气氛下(20mL/min)以1℃/min的速率从室温升至500℃并在该温度下保持3h,待降至50℃后切换成空气气氛(20mL/min),再以1℃/min的速率升至750℃并在该温度下保持4h,即得到具有介孔孔壁的三维有序大孔结构的单相正交钙钛矿晶相La0.6Sr0.4CrO3,大孔孔径为50~110nm,孔壁介孔孔径为3~7nm,La0.6Sr0.4CrO3样品的XRD谱图、SEM图和TEM图见图1、图4和图5。
Claims (2)
1.具有介孔孔壁的三维有序大孔La1-xSrxCrO3的制备方法,x=0、0.4,其特征在于,引入表面活性剂三嵌段共聚物P123为软模板剂、柠檬酸为络合剂以及PMMA为胶晶硬模板,具体包括以下步骤:(1)按摩尔比1∶1称取La(NO3)3·6H2O和Cr(NO3)3·9H2O溶于聚乙二醇400和无水甲醇配成的溶剂中,或按照摩尔比0.6∶0.4∶1将硝酸镧、硝酸锶及硝酸铬溶解于聚乙二醇400、无水甲醇和去离子水的混合溶剂中,常温搅拌,每0.01mol硝酸铬所用聚乙二醇400为1mL;(2)按照金属铬离子与柠檬酸摩尔比1∶1向上述溶液中加入柠檬酸,超声分散5min;(3)三嵌段共聚物P123用甲醇或去离子水溶解,按照总的金属盐∶三嵌段共聚物P123摩尔比为348∶1的比例加入P123;(4)将步骤(3)中得到的均一溶液倾入步骤(2)得到的前驱液中并超声分散5min,之后常温下搅拌4h,最后加入无水甲醇或去离子水定容使总金属浓度为2mol/L;(5)将上述混合液倾入装有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)硬模板的容器中,常压浸渍5h后抽滤并于室温下充分干燥;(6)将所得固体物质装入磁舟置于管式炉中,先在N2气氛下以1℃/min的速率从室温升至500℃并在该温度下保持3h,待降至50℃后切换成空气气氛,再以1℃/min的速率升至750℃并在该温度下保持4h,即得到具有介孔孔壁的三维有序大孔的单相正交钙钛矿型氧化物La1-xSrxCrO3。
2.按照权利要求1的制备方法,其特征在于,所述N2气氛为20mL/min,空气气氛为20mL/min。
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