CN102633285B

CN102633285B - 一种一维形貌类水滑石材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102633285B
Application number: CN201210113172.0A
Authority: CN
Inventors: 吕志; 侯丽娜; 宋家庆; 徐向宇
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: CN102633285A

Abstract

本发明涉及一种一维形貌类水滑石材料及其制备方法。通过固-液离子交换和同步晶相转化过程制备出具有纤维状、晶须状、棒状、条状等用其他方法难以制备的一维形貌的类水滑石材料，提高了材料的分散均匀性，大大减小了堆密度，使材料更适于催化、吸附、离子交换等应用领域。

Description

一种一维形貌类水滑石材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种一维形貌类水滑石材料及其制备方法，属于无机非金属功能材料的制备领域。

背景技术：

类水滑石（hydrotalcite-like compounds，简称HTLs）是由OH^-八面体配位的二、三价金属离子（M^II和M^III）阵列构成的带正电荷的类氢氧镁石（brucite-like）主体层板（[M^II _1-xM^III _x(OH)₂]^x+）和层间客体水合阴离子（A^n-）构成的一类阴离子型层状材料，因此也称作阴离子黏土（anionicclays），其化学组成可表示为通式：[M²⁺ _1-xM³⁺ _x(OH)₂]A^n- _x/n·mH₂O，通常简写为M^IIM^III-A-HTLs。主体层板的可调变性和层间客体阴离子的可交换性是类水滑石化合物的主要特征。通过调变主体层板的金属元素种类及组成、层间客体阴离子的种类及数量，可以获得具有相同晶体结构、不同物理化学性质的HTLs材料，构成了一个极具研究潜力的宠大HTLs材料家族。广泛应用于催化、吸附、离子交换和功能材料等领域。HTLs材料不仅可以直接用作催化剂，如催化Claisen-Schmidt缩合反应等。HTLs的焙烧产物（CHTLs）具有碱性、高比表面（100~300m²/g）、金属元素分布均匀、高热稳定性、记忆效应等特性，使其成为催化剂前驱体和催化剂载体的重要材料，在聚合、加氢、重整、甲烷化、甲醇合成、高级醇合成、烃类合成、流化催化裂化（FCC）等诸多反应体系中具有非常好的应用前景。

现有HTLs的制备技术可分为一步法和多步法。一步法即由原料一锅直接获得目标LDHs的制备方法（One-pot Synthetic Method），包括共沉淀法（单滴法、双滴法、成核/晶化隔离法和尿素法）、水热法、机械研磨法等。多步法包括以HTLs作为前驱体（通常采用共沉淀等一步法制备）通过后处理（Post-modification）获得目标HTLs的离子交换法、焙烧重构法和再沉淀法，以溶胶为前驱体的溶胶-凝胶法，以及用模板引导HTLs生长的牺牲模板法等。

众所周知，形貌是影响材料性能的重要因素。正因为此，形貌控制技术成为近年来材料制备领域的研究热点。

由于HTLs在层板二维方向上性质相同，所以一步法、以一步法制备产物为前驱体的离子交换法、焙烧重构法和再沉淀法，以及溶胶-凝胶法仅能获得六边形片层状HTLs粉体。将六边形片层状HTLs粉体直接应用于催化、吸附、离子交换等工业过程，将带来床层压降大、扩散阻力大、催化剂易流失、不易分离，以及不易进行工艺放大等问题。制备特殊形貌大尺寸HTLs是解决这些问题的有效途径之一。根据目前的文献报道，仅牺牲模板法能够获得特殊形貌的HTLs，如Géraud等（Géraud E,Prévot V，Ghanbaja J,Leroux F.Chem Mater,2006,18(2):238）以聚苯乙烯（PS）为牺牲模板制备了骨架结构的HTLs。牺牲模板法需要在制备后期采用溶蚀、锻烧等方法去除模板。HTLs溶于酸，500℃以上分解为混合金属氧化物或尖晶石和金属氧化物的混合物，使溶蚀法和锻烧法在应用上都受到很大限制。而且，牺牲模板法步骤多、制备过程复杂、成本高，目前还难以实现工业化生产。

一维形貌HTLs（如纤维状HTLs、棒状HTLs、条状HTLs、HTLs晶须等）具有分散均匀、堆密度小等优点，在催化、吸附、离子交换等应用领域具有独特的优势、具有极大的应用潜力。有关一维形貌HTLs的制备技术尚鲜有报导，开发一维形貌HTLs的制备技术具有重要的现实意义。

发明内容：

本发明的目的是提供一种一维形貌类水滑石材料及其制备方法。通过固态含镁前驱体与含铝溶液和含碳酸根溶液间的固-液离子交换和同步晶相转化过程制备出具有一维形貌的类水滑石材料，提高材料的分散均匀性，减小堆密度，使其更适于催化、吸附、离子交换等应用领域。

本发明的一种一维形貌类水滑石材料，其化学式用如下通式表示：

[Mg_1-xAl_x(OH)₂]CO₃ ^2- _x/2·mH₂O

其中，x为层板金属离子中三价铝离子所占的比例，其取值范围是0.2≤x≤0.33；m为结晶水的数量，其取值范围是0≤m≤2。其特征是：所述的类水滑石材料具有纤维状、晶须状、棒状或条状的一维形貌微观结构。

本发明还提供了一种一维形貌类水滑石材料的制备方法，通过固态含镁前驱体与含铝溶液和含碳酸根溶液间的固-液离子交换和同步晶相转化过程制备，具体步骤如下：

A：配制前驱体悬浊液：将具有一维形貌的含镁前驱体分散于水中配制成浓度为10~100g/L的悬浊液，调节悬浊液的pH值为10~14，优选为12~14，通常采用NaOH或KOH溶液调节pH值；所述具有一维形貌的含镁前驱体（可外购或采用公知技术制备）是指具有纤维状、晶须状、棒状或条状等一维形貌的碱式氯化镁、碱式硫酸镁、氢氧化镁中的任何一种，其中优选：碱式氯化镁前体中（OH^-）与（Cl^-）的化学计量比(即个数比)为4~9，碱式硫酸镁前体中(OH^-)与(SO₄ ^2-)的化学计量比为4~10。

B：配制含铝溶液和含碳酸根溶液：配制浓度为0.1~0.5mol/L的偏铝酸钠或偏铝酸钾溶液，浓度为0.2~0.6mol/L的碳酸钠或碳酸钾溶液。

C：常温搅拌条件下，将步骤B制得的含铝溶液和含碳酸根溶液同步缓慢滴加到步骤A制得的前驱体悬浊液中，然后在搅拌条件下反应0.5~36h，反应温度控制在60~100℃；优选反应时间为1~24h，反应温度为70~100℃。含镁前驱体悬浊液和含铝溶液的投料摩尔比为n(Mg²⁺)/n(AlO₂ ^-)=2~4，含铝溶液和含碳酸根溶液的投料摩尔比为n(AlO₂ ^-)/n(CO₃ ^2-)=1~1.5。

D：步骤C反应后的悬浊液经过滤、洗涤、干燥即得到具有一维形貌的类水滑石材料。

上述制备过程，固态含镁前驱体与偏铝酸钠溶液/碳酸钠溶液之间的固-液离子交换过程和含镁前驱体向类水滑石化合物的晶相转化过程，在悬浊液中同步进行，制备流程短，简单易行，制备的产物很好地保持了前驱体的形貌。由于碱式氯化镁、碱式硫酸镁和氢氧化镁前驱体均溶于酸，步骤A中调节悬浊液呈较强的碱性是保持前驱体形貌的关键。

本发明采用日本岛津公司的XRD-6000型X-射线粉末衍射仪对样品进行晶体结构表征。图1是实施例2制备的碱式氯化镁前驱体和HTLs产物的XRD谱图，从图1中的曲线b可以看出，只有反映HTLs结构特征的（003）、（006）、（012）、（015）、（018）、（110）和（113）晶面衍射峰出现，（003）和（006）特征衍射峰峰形尖耸对称，无杂峰出现，说明样品晶相单一，无杂晶相生成。

采用德国Bruker公司Vector22型傅立叶变换红外光谱仪对样品进行定性分析。图2是实施例2所得样品的傅立叶变换光谱（FT-IR）谱图。呈典型MgAl-CO₃ ^2--HTLs材料的FT-IR谱图，无杂质峰出现，其中，1367cm^-1和3060cm^-1处的强吸收峰分别碳酸根离子的不对称伸缩振动峰和碳酸根与层板羟基的桥式振动峰，表明所得产物为CO₃ ^2-插层的MgAl-HTLs。

采用日本S-4700型扫描电子显微镜（SEM）观测样品的形貌，图3是实施例2制备的碱式氯化镁前驱体的SEM相片，图4是实施例2制备的HTLs产物的SEM相片，由图3、4可见，制得的类水滑石材料完整地保持了前驱体的一维形貌，分布均匀。图5是实施例5制备的HTLs产物的SEM相片，产物呈棒状形貌，分布均匀。

采用日本岛津ICPS-7500型元素分析仪对样品的元素含量进行分析。对实施例2制备的HTLs产物进行元素分析，表明产品中摩尔比Mg:Al:CO₃ ^2-≈2:1:1，且不含Na⁺等杂离子。

本发明制备的类水滑石材料，其主要优点是完整保持了含镁前驱体的形貌，通过选择合适的含镁前驱体可以制备纤维状、晶须状、棒状或条状HTLs等用其他方法难以制备的具有一维形貌的类水滑石材料，提高了材料的分散均匀性，大大减小了堆密度，使其更适于催化、吸附、离子交换、阻燃等应用领域。作为高分子材料阻燃添加剂时，除了具有通常类水滑石材料受热分解吸收大量热、放出水和二氧化碳阻隔可燃气体等特性以外，由于所具有的一维形貌微观结构，有利于与高分子材料的复合。本发明的制备方法流程短、过程简单易行，便于工业放大。此外，只要有合适的含镁前驱体，本发明的方法同样适宜于制备具有其他特殊形貌的类水滑石化合物。

附图说明：

图1：实施例2前驱体Mg₁₀OH₁₈Cl₂·5H₂O(a)和HTLs产物(b)的XRD谱图

图2：实施例2HTLs产物的FT-IR谱图

图3：实施例2前驱体Mg₁₀OH₁₈Cl₂·5H₂O的SEM照片

图4：实施例2HTLs产物的SEM照片

图5：实施例5HTLs产物的SEM照片

具体实施方式：

下面以实施例的方式对本发明进行进一步说明，但不构成对本发明保护范围的限制。

实施例1

步骤A：将300mL 4mol/L的MgCl₂水溶液（含114.3g MgCl₂）加热至70℃，搅拌条件下慢慢加入MgO粉末4.8g（n_MgO/n_MgCl2=0.1），MgO完全溶解后停止加热，室温下静置24h后加热至160℃反应4h，将得到的产物洗涤、过滤，并于70℃干燥6小时，得到分子式为Mg₁₀OH₁₈Cl₂·5H₂O的纤维状碱式氯化镁前体。

步骤B：取5g碱式氯化镁前体，分散于250mL去离子水中，用1mol/LNaOH溶液调节pH=13，在搅拌条件下同时缓慢滴加NaAlO₂溶液（2.88gNaAlO₂溶于150mL去离子水）和Na₂CO₃溶液（3.73g NaCO₃溶于100mL去离子水）（Mg²⁺:AlO^-:CO₃ ^2-=2:1:1），加热至80℃反应7h，将得到的产物洗涤、过滤，于70℃干燥6小时，得到Mg/Al原子比约等于2的纤维状MgAl-HTLs产物。

实施例2

步骤A：同实施例1的步骤A。

步骤B：取5g碱式氯化镁前体，分散于250mL去离子水中，用1mol/LNaOH溶液调节pH=13，在搅拌条件下同时慢慢滴加NaAlO₂溶液（2.89gNaAlO₂溶于150mL去离子水）和Na₂CO₃溶液（3.73g NaCO₃溶于100mL去离子水）（Mg²⁺:AlO^-:CO₃ ^2-=2:1:1），加热至95℃反应2h，将得到的产物洗涤、过滤，于70℃干燥6小时，得到Mg/Al原子比约等于2的纤维状MgAl-HTLs产物。

实施例3

步骤A：同实施例1的步骤A。

步骤B：取5g碱式氯化镁前体，分散于250mL去离子水中，用1mol/LNaOH溶液调节pH=13左右，在搅拌条件下同时慢慢滴加NaAlO₂溶液（1.93g NaAlO₂溶于150mL去离子水）和Na₂CO₃溶液（2.49g NaCO₃溶于100mL去离子水）（Mg²⁺:AlO^-:CO₃ ^2-=3:1:1），加热至95℃反应2h，将得到的产物洗涤、过滤，于70℃干燥6小时，得到Mg/Al原子比约等于3的纤维状MgAl-HTLs产物。

实施例4

步骤A：将300mL 1mol/L的MgSO₄水溶液（含73.9g MgSO₄·7H₂O）加热至60℃，搅拌条件下慢慢加入MgO粉末4.8g（n_MgO/n_MgSO4=0.4），MgO完全溶解后停止加热，室温下静置12h后加热至170℃反应8h，将得到的产物洗涤、过滤，并于70℃干燥6小时，得到分子式为Mg₆OH₁₀SO₄·3H₂O的碱式硫酸镁晶须。

步骤B：取5g碱式硫酸镁前体，分散于250mL去离子水中，用1mol/LNaOH溶液调节pH=14，在搅拌条件下同时慢慢滴加NaAlO₂溶液（1.77gNaAlO₂溶于150mL去离子水）和Na₂CO₃溶液（2.28g NaCO₃溶于100mL去离子水）（Mg²⁺:AlO^-:CO₃ ^2-=3:1:1），加热至95℃反应2h，将得到的产物洗涤、过滤，于70℃干燥6小时，得到Mg/Al原子比约等于3的晶须状MgAl-HTLs产物。

实施例5

步骤A：向250mL 0.1mol/L的MgSO₄水溶液（含6.2g MgSO₄·7H₂O）中缓慢滴加氨水调节pH约等于12，然后再于160℃水热处理10h，将得到的产物洗涤、过滤，并于70℃干燥6小时，得到棒状氢氧化镁前体。

步骤B：取5g棒状氢氧化镁前体分散于250mL去离子水中，用1mol/LNaOH溶液调节pH=12，在搅拌条件下同时慢慢滴加NaAlO₂溶液（2.27gNaAlO₂溶于150mL去离子水）和Na₂CO₃溶液（2.93g NaCO₃溶于100mL去离子水）（Mg²⁺:AlO^-:CO₃ ^2-=3:1:1），加热至95℃反应2h，将得到的产物洗涤、过滤，于70℃干燥6小时，得到Mg/Al原子比约等于3的棒状MgAl-HTLs产物。

Claims

1.一种一维形貌类水滑石材料的制备方法，通过固态含镁前驱体与含铝溶液和含碳酸根溶液间的固-液离子交换和同步晶相转化过程制备，具体步骤如下：

A：配制前驱体悬浊液：将具有一维形貌的含镁前驱体分散于水中配制成浓度为10～100g/L的悬浊液，调节悬浊液的pH值为10～14，所述具有一维形貌的含镁前驱体选自具有纤维状、晶须状、棒状或条状一维形貌的碱式氯化镁、碱式硫酸镁、氢氧化镁中的任何一种；其中碱式氯化镁前驱体中（OH^-）与（Cl^-）的化学计量比为4～9，碱式硫酸镁前驱体中(OH^-)与(SO₄ ^2-)的化学计量比为4～10；

B：配制含铝溶液和含碳酸根溶液：配制浓度为0.1～0.5mol/L的偏铝酸钠或偏铝酸钾溶液，配制浓度为0.2～0.6mol/L的碳酸钠或碳酸钾溶液；

C：常温搅拌条件下，将步骤B制得的含铝溶液和含碳酸根溶液同步缓慢滴加到步骤A制得的前驱体悬浊液中，然后在搅拌条件下反应0.5～36h，反应温度控制在60～100℃；含镁前驱体悬浊液和含铝溶液的投料摩尔比为n(Mg²⁺)/n(AlO₂ ^-)=2～4，含铝溶液和含碳酸根溶液的投料摩尔比为n(AlO₂ ^-)/n(CO₃ ^2-)=1～1.5；

2.根据权利要求1所述一维形貌类水滑石材料的制备方法，其特征在于：步骤A中采用NaOH或KOH溶液调节悬浊液pH值。

3.根据权利要求1或2所述一维形貌类水滑石材料的制备方法，其特征在于：步骤A中调节悬浊液的pH值为12～14。

4.根据权利要求1所述一维形貌类水滑石材料的制备方法，其特征在于：步骤C的反应时间为1～24h，反应温度为70～100℃。