CN102430411A

CN102430411A - 一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其制备方法

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Publication number: CN102430411A
Application number: CN2011102690629A
Authority: CN
Inventors: 吕双双; 徐传云; 李春生; 潘金德; 许凤林
Original assignee: HANGZHOU ZHEJIANG SCIENCE AND TECHNOLOGY CO LTD; ZHEJIANG MINERAL TECHNOLOGY CO LTD; ZHEJIANG INSTITUTE OF GEOLOGY AND MINERAL RESOURCE
Current assignee: HANGZHOU ZHEJIANG SCIENCE AND TECHNOLOGY CO LTD; ZHEJIANG MINERAL TECHNOLOGY CO LTD; ZHEJIANG INSTITUTE OF GEOLOGY AND MINERAL RESOURCE
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-09-13
Also published as: CN102430411B

Abstract

本发明公开了一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其制备方法。类水滑石又称层状双金属氢氧化物或阴离子粘土，在催化、吸附、离子交换、红外吸收等领域具有广泛的用途。通过简单的几个步骤：首先合成金属络合物；然后将金属络合物吸附和插层进入类水滑石的表面及层间；最后通过水热反应或超声沉淀法得到类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料。得到的复合材料增强了类水滑石原有的催化及吸附性能，并使其具有磁性分离功能，在吸附剂、催化剂、阻燃剂、热稳定剂等领域具有广泛的应用前景。本发明提出的类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其制备方法，其工艺流程简单，设备投资少，运行成本低廉，得到的复合材料具有极高的应用前景和经济价值。

Description

一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及化合物及其制备方法，尤其涉及一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其方法。

背景技术

类水滑石（Hydrotalcite-like compounds）又称双金属氢氧化物（Layered double hydroxides, LDH），是一种具有阴离子型的层状化合物，其化学结构组成为[M_1-x ^IIM_x ^III(OH)₂](A^n-)_x/n·mH₂O，M^II和M^III分别为组成类水滑石层板的金属阳离子，A^n-为层间阴离子。由于类水滑石的层板结构组成、层间阴离子种类均可调控，类水滑石在吸附剂、催化剂、阻燃剂、热稳定剂等方面具有极强的应用前景。

铁氧体（Ferrite）是具有磁性的金属氧化物，根据结构的不同可以分为尖晶石型、石榴子石型和磁铅石型等几种。其中尖晶石型铁氧体的分子结构组成为AFe₂O₄(A=Zn, Co, Fe, Cu, Mn等)，是一种易于制备性能优异的磁性材料，其应用范围非常广泛，可以被广泛应用于吸波材料、磁性材料、催化剂、水处理剂等。

本发明将铁氧体与类水滑石相结合，得到的复合材料具有更强的吸附和催化性能，由于铁氧体的磁性，复合材料还具有磁性分离的功能，因而在吸附剂、催化剂、热稳定剂等领域具有极佳的应用前景。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种类水滑石-尖晶石型铁氧体及其制备方法。

它包括如下步骤：

1)将100 mL 0.1～1.0 M的二价金属盐溶液逐滴加入到50～200 mL的络合物前驱液中，边滴入边搅拌15～120分钟，得到金属络合物溶液A；将100 mL 0.1～2.0 M的三价铁盐溶液逐滴加入到50～200 mL的络合物前驱液中，边滴入边搅拌15～120分钟，得到金属络合物溶液B；

2)将摩尔比为1：2的金属络合物溶液A和金属络合物溶液B混合，搅拌均匀后，加入50～500 g双金属氧化物，隔绝空气或通入保护性气体，30～90 ^oC反应2～24 h或100～200 ^oC水热处理0.5～5 h；

3)加入350-800 mL 0.1～2 M碱性溶液，碱性溶液中氢氧根的物质的量为二价金属盐的8倍；混合物在保护性气体保护下超声波反应0.5～6 h，或在水热反应釜中120～220 ^oC反应2～12 h；产物离心分离、水洗、固相产物60～120 ^oC烘干后得到类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料。

所述的二价金属盐为Zn(II)、Co(II)、Ni(II)、Cu(II)、Fe(II)、Mn(II)的硝酸盐、氯化物、硫酸盐或醋酸盐中的一种或几种；所述的三价铁盐为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁或醋酸铁中的一种或几种；所述的络合物前驱液为0.1～0.5 M的乙二胺、EDTA、Na-EDTA、1，10-二氮菲或联吡啶；所述的双金属氧化物为商业水滑石450～650 ^oC煅烧2～6 h后的产物；所述的保护性气体为氮气或氩气；所述的碱性溶液为氨水、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或尿素溶液。

本发明提出的一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其制备方法，其制备工艺流程非常简单，设备投资成本低。制得的类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料具有比单纯铁氧体或类水滑石更强的催化和吸附性能，铁氧体的磁性使本发明制备的复合材料具有磁性分离的功能，有利于其重复使用。本发明制备的类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料在吸附剂、催化剂、阻燃剂、热稳定剂等领域具有广泛的应用前景。

具体实施方式

本发明提出了一种类水滑石-尖晶石型铁氧体及其制备方法，其制备工艺流程简单，生产成本低廉。具体实施方式包括以下步骤：

制备的第一步是合成二价金属盐和三价铁盐的混合金属络合物溶液。将100 mL 0.1～1.0 M的二价金属盐溶液如MnCl₂溶液逐滴加入到50～200 mL的络合物前驱液如Na-EDTA溶液中，边滴入边搅拌15～120分钟，二价金属盐将与络合物阴离子紧密结合形成二价金属络合物；将100 mL 0.1～2.0 M的三价铁盐溶液逐滴加入到50～200 mL的络合物前驱液中，边滴入边搅拌15～120分钟，得到三价铁络合物；由于尖晶石型铁氧体中二价金属与三价铁的摩尔比为1：2，在此步骤中二价金属盐与三价铁盐的摩尔比亦为1：2。

制备的第二步是将在水滑石的形成过程中，将金属络合物吸附在水滑石层的表面或进入水滑石层间。将二价金属络合物和三价铁络合物混合，搅拌均匀后在混合溶液中加入50～500 g双金属氧化物，隔绝空气或通入保护性气体，30～90 ^oC反应2～24 h或100～200 ^oC水热处理0.5～5 h。双金属氧化物是商业或自制水滑石的煅烧产物，其具有极高的比表面积，对溶液中的离子和分子具有极强的吸附作用；此外双金属氧化物还具有“记忆效应”，在溶液中将回复到类水滑石的结构。因此，在二价金属络合物和三价铁络合物的混合溶液中加入双金属氧化物反应，双金属氧化物的吸附作用和记忆效应将金属络合物吸附到双金属氧化物表面，同时生成类水滑石，从而形成了类水滑石-金属络合物的中间产物。

最后在第二步的产物中加入适量的0.05～0.5 mol NaOH、KOH等碱性溶液，在保护性气体保护下超声波反应0.5～6 h，或在水热反应釜中120～220 ^oC反应2～12 h。金属络合物与碱反应首先生成氢氧化物，随后在水热或超声波处理过程中成为尖晶石型铁氧体微粒（式1和2，R'和R"为络合基团）。将产物离心分离、水洗，固相产物60～120 ^oC烘干后即得到类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料。

A²⁺-R'+2Fe³⁺-R"+OH^- → AFe₂(OH)₈+ R'+R" （式1）

AFe₂(OH)₈ → AFe₂O₄+4H₂O （式2）

下面结合实施例进一步说明本发明。

实施例1: 类水滑石-铁酸锌复合材料

1)将100 mL 0.1M的Zn(NO₃)₂溶液逐滴加入到50 mL 0.1 M的乙二胺溶液中，边滴入边搅拌15分钟，得到金属络合物溶液A；将100 mL 0.2 M的Fe(NO₃)₃溶液逐滴加入到100 mL 0.1 M的EDTA溶液中，边滴入边搅拌15分钟，得到金属络合物溶液B；

2)将金属络合物溶液A与B混合，搅拌均匀后在混合溶液中加入50 g 双金属氧化物，隔绝空气30 ^oC条件下反应24 h；

3)在步骤2）产物中加入800 mL 0.1 M的NH₃溶液，在氮气保护下超声波反应0.5 h，产物离心分离、水洗、固相产物80 ^oC烘干后得到类水滑石-铁酸锌复合材料。

实施例2: 类水滑石-铁酸钴复合材料

1)将100 mL 1.0 M的CoCl₂溶液逐滴加入到200 mL 0.5 M的Na-EDTA溶液中，边滴入边搅拌120分钟，得到金属络合物溶液A；将100 mL 2.0 M的FeCl₃溶液逐滴加入到200 mL 0.5 M的EDTA溶液中，边滴入边搅拌120分钟，得到金属络合物溶液B；

2)将金属络合物溶液A与B混合，搅拌均匀后在混合溶液中加入500 g 双金属氧化物，通入氮气100 ^oC水热处理5 h；

3)在步骤2）产物中加入400 mL 2 M的NaOH溶液，在水热反应釜中120 ^oC反应12 h；产物离心分离、水洗、固相产物90 ^oC烘干后得到类水滑石-铁酸钴复合材料。

实施例3: 类水滑石-铁酸镍复合材料

1)将100 mL 0.2 M的NiSO₄溶液逐滴加入到100 mL 0.2 M的Na-EDTA溶液中，边滴入边搅拌30分钟，得到金属络合物溶液A；将100 mL 0.2 M的Fe₂(SO₄)₃溶液逐滴加入到200 mL 0.1 M的1，10-二氮菲溶液中，边滴入边搅拌90分钟，得到金属络合物溶液B；

2)将金属络合物溶液A与B混合，搅拌均匀后在混合溶液中加入200 g 双金属氧化物，通入氩气80 ^oC条件下反应6 h；

3)在步骤2）产物中加入350 mL 0.5 M的尿素溶液，在水热反应釜中220 ^oC反应2 h；产物离心分离、水洗、固相产物100 ^oC烘干后得到类水滑石-铁酸镍复合材料。

实施例4: 类水滑石-铁酸铜复合材料

1)将100 mL 0.3 M的Cu(Ac)₂溶液逐滴加入到200 mL 0.1 M的1，10-二氮菲溶液中，边滴入边搅拌45分钟，得到金属络合物溶液A；将100 mL 0.6 M的Fe(Ac)₃溶液逐滴加入到200 mL 0.2 M的联吡啶溶液中，边滴入边搅拌60分钟，得到金属络合物溶液B；

2)将金属络合物溶液A与B混合，搅拌均匀后在混合溶液中加入300 g双金属氧化物，隔绝空气200 ^oC水热处理0.5 h；

3)在步骤2）产物中加入480 mL 0.25 M的KOH溶液，在氩气保护下超声波反应6 h；产物离心分离、水洗、固相产物110 ^oC烘干后得到类水滑石-铁酸铜复合材料。

实施例5：类水滑石-铁酸锰复合材料

1)将100 mL 0.4M的Mn(NO₃)₂溶液逐滴加入到125 mL 0.25 M的联吡啶溶液中，边滴入边搅拌60分钟，得到金属络合物溶液A；将100 mL 0.8 M的Fe(NO₃)₃溶液逐滴加入到200 mL 0.3 M的乙二胺溶液中，边滴入边搅拌30分钟，得到金属络合物溶液B；

2)将金属络合物溶液A与B混合，搅拌均匀后在混合溶液中加入400 g双金属氧化物，通入氩气90 ^oC条件下反应2 h；

3)在步骤2）产物中加入450 mL 0.75 M的尿素溶液，在水热反应釜中150 ^oC反应9 h；产物离心分离、水洗、固相产物120 ^oC烘干后得到类水滑石-铁酸锰复合材料。

实施例6：类水滑石-Fe₃O₄复合材料

1)将100 mL 0.5 M的FeCl₂溶液逐滴加入到50 mL 0.4 M的乙二胺溶液中，边滴入边搅拌90分钟，得到金属络合物溶液A；将100 mL 1.0 M的FeCl₃溶液逐滴加入到100 mL 0.35 M的乙二胺溶液中，边滴入边搅拌50分钟，得到金属络合物溶液B；

2)将金属络合物溶液A与B混合，搅拌均匀后在混合溶液中加入150 g双金属氧化物，隔绝空气60 ^oC条件下反应12 h；

3)在步骤2）产物中加入400 mL 1 M的NH₃溶液，在水热反应釜中180 ^oC反应6 h；产物离心分离、水洗、固相产物60 ^oC烘干后得到类水滑石-Fe₃O₄复合材料。

实施例7：类水滑石-铁酸钴镍复合材料

1)将100 mL 二价阳离子浓度为0.6 M的CoSO₄、NiCl₂混合溶液逐滴加入到150 mL 0.3 M的Na-EDTA溶液中，边滴入边搅拌120分钟，得到金属络合物溶液A；将100 mL 0.6 M的Fe₂(SO₄)₃溶液逐滴加入到200 mL 0.4 M的Na-EDTA溶液中，边滴入边搅拌15分钟，得到金属络合物溶液B；

2)将金属络合物溶液A与B混合，搅拌均匀后在混合溶液中加入250 g双金属氧化物，通入氮气120 ^oC水热处理4 h；

3)在步骤2）产物中加入384 mL 1.25 M的NaOH溶液，在氮气保护下超声波反应3 h；产物离心分离、水洗、固相产物70 ^oC烘干后得到类水滑石-铁酸钴镍复合材料。

实施例8：类水滑石-铁酸锰锌复合材料

1)将100 mL 二价阳离子浓度为0.7 M的Zn(Ac)₂、MnCl₂混合溶液逐滴加入到100 mL 0.2 M的EDTA溶液中，边滴入边搅拌60分钟，得到金属络合物溶液A；将100 mL 1.4 M的Fe(Ac)₃溶液逐滴加入到100 mL 0.4 M的EDTA溶液中，边滴入边搅拌60分钟，得到金属络合物溶液B；

2)将金属络合物溶液A与B混合，搅拌均匀后在混合溶液中加入350 g双金属氧化物，隔绝空气160 ^oC水热处理2 h；

3)在步骤2）产物中加入380 mL 1.5 M的KOH溶液，在水热反应釜中200 ^oC反应3 h；产物离心分离、水洗、固相产物75 ^oC烘干后得到类水滑石-铁酸锰锌复合材料。

Claims

1.一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其方法，其特征在于，所述的二价金属盐为Zn(II)、Co(II)、Ni(II)、Cu(II)、Fe(II)、Mn(II)的硝酸盐、氯化物、硫酸盐或醋酸盐中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其方法，其特征在于，所述的三价铁盐为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁或醋酸铁中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其方法，其特征在于，所述的络合物前驱液为0.1～0.5 M的乙二胺、EDTA、Na-EDTA、1，10-二氮菲或联吡啶。

5.根据权利要求1所述的一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其方法，其特征在于，所述的双金属氧化物为商业水滑石450～650 ^oC煅烧2～6 h后的产物。

6.根据权利要求1所述的一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其方法，其特征在于，所述的保护性气体为氮气或氩气。

7.根据权利要求1所述的一种类水滑石-尖晶石型铁氧体复合材料及其方法，其特征在于，所述的碱性溶液为氨水、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或尿素溶液。