CN105177765A - 一种采用羧酸作配体制备氧化镍纤维的方法 - Google Patents

一种采用羧酸作配体制备氧化镍纤维的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用羧酸作配体制备氧化镍纤维的方法。将镍源、溶剂、配体按比例,在20~90℃和搅拌条件下充分反应,制得澄清透明的绿色溶液,通过减压浓缩得到前驱体纺丝液溶胶。将纺丝液离心甩丝或喷吹成纤等方法得到氧化镍前驱体纤维,经过高温烧结获得直径约10μm的氧化镍纤维。本发明具有工艺简单、成本低、产率高、绿色环保等优点。同时,前驱体溶胶不变质,纤维质量稳定,直径均匀,具有优异的光催化性能。

Description

一种采用羧酸作配体制备氧化镍纤维的方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域,具体涉及一种采用羧酸作配体制备氧化镍纤维的方法。
背景技术
氧化镍是一种P型半导体,作为一种新兴功能材料具有重要的科研价值和广泛的应用前景,其具有良好的热敏性、磁性、电化学活性和催化活性,已被应用于催化剂、陶瓷、传感器、玻璃、搪瓷着色剂、涂料、磁性材料及电子元件等方面。
到目前为止,制备出的氧化镍有很多种形态,包括球状,盘状,管状,带状,纤维状等。其中一维氧化镍纤维因其独特的结构引起了很多研究者的注意。一般来讲,一维纳米结构具有很高的长径比,不仅继承了纳米颗粒的典型特征,而且在特定领域表现了更好的性能。
氧化镍纤维是一种具有多晶结构的纤维材料,其晶粒粒径尺寸在纳米尺度,一般不大于100nm,直径为纳米到微米尺寸,纤维长度因制备工艺的不同也可以处在不同的量级。氧化镍纤维由于具有纳米尺度的晶粒,较大的比表面积,因而具有较高的催化性能。同时由于纤维的蓬松结构和形状特点,在应用于光催化时对光的利用效率大大提高,将其固定或设计反应器也非常容易,不存在流失问题,有助于实际应用。
常见的制备纤维的方法有水热法,喷雾热解法,静电纺丝法等。关于氧化镍纤维制备方面也有专利报道,如:中国专利文件CN102433612A(申请号:201110319123.8)和CN102364649A(申请号:201110319071.4)公开了一种中空氧化镍纤维及其制备方法,是以NiSO4·6H2O、NiCl2·6H2O、硼酸和十二烷基硫酸钠配制成以水为溶剂的电镀液,将处理过的炭质纤维作为阴极,镍片作为阳极放入电镀液中,通过恒电流电镀,然后将纤维干燥、灼烧得到中空的氧化镍纤维。中国专利文件CN104532403A(申请号:201410752403.1)将可溶性镍盐溶解于适量的溶剂中,再加入PVP,得到前驱体溶液,将前驱体进行静电纺丝,煅烧后既得NiO纳米纤维,可用于NOX检测。但是,通过电镀加烧结的方法得到的中空氧化镍纤维,成本较高,工艺复杂,不适合大规模生产,而静电纺丝得到的纳米纤维在用于光催化材料时,所的纤维产量较低,长度较短,强度较低,存在回收困难等问题,也不适合大规模制备。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种采用羧酸作配体制备氧化镍纤维的方法,制备出光催化性能优异的氧化镍纤维,该方法原料易得,方法简单,成本低廉,无污染,纤维也具有较好的力学强度,从而有利于光催化反应中的回收利用,降低运行成本。
本发明的技术方案如下:
一种采用羧酸作配体制备氧化镍纤维的方法,包括步骤如下:
(1)将羧酸溶于溶剂,在加热搅拌条件下加入镍源充分反应,得前驱体溶液;或者,将羧酸盐和镍盐混合,通过复分解反应制备得到前驱体溶液;
(2)将步骤(1)得到的前驱体溶液减压浓缩,静置陈化,得纺丝液;
(3)将步骤(2)得到的纺丝液离心甩丝或喷吹成纤,得氧化镍前驱体纤维;
(4)将步骤(3)制得的氧化镍前驱体纤维高温烧结,即得氧化镍纤维。
根据本发明,优选的,步骤(1)中所述的羧酸为一水合柠檬酸、无水柠檬酸、醋酸、苹果酸、马来酸、二乙三胺五醋酸、三乙四胺六醋酸、乙二胺四乙酸或/和酒石酸,更优选一水合柠檬酸或/和无水柠檬酸;
所述的镍源为氧化镍、单质镍、碱式碳酸镍、氢氧化镍或/和碳酸镍,更优选碱式碳酸镍,所述溶剂为甲醇,乙醇或水,更优选水;
根据本发明,优选的,步骤(1)中所述的羧酸与镍源中镍元素的摩尔比为1:(0.5~4),所述的羧酸与溶剂的质量比为10:50~150,优选为10:80~100;
优选的,羧酸溶于溶剂的溶解温度为20~90℃,更优选40~80℃;
优选的,加入镍源后的反应温度为20~90℃,反应时间为0.5~12h;更优选反应温度为40~80℃,反应时间为3~6h。得到的前驱体溶液为澄清透明的绿色溶液。
根据本发明,优选的,步骤(1)中将羧酸盐和镍盐混合,通过复分解反应制备得到前驱体溶液的步骤如下:
(a)将镍盐加入到甲醇或乙醇中,得混合液A;
所述镍盐为氯化镍、氟化镍、溴化镍、硝酸镍及上述镍盐的水合物中的一种或任意组合,进一步优选为氯化镍;
(b)将配体源加入到有机溶剂中,得混合液B;
所述配体源为醋酸钾、醋酸钠、醋酸铵、丙酸钾、丙酸铵、丙酸钠、丙烯酸钾、丙烯酸钠、丙烯酸铵及上述化合物的水合物中的一种或任意组合,进一步优选为醋酸钾、醋酸钠和醋酸铵;
(c)在30~70℃温度下,将步骤(1)制备的混合液A和步骤(2)制备的混合液B中混合并不断搅拌;控制混合液A中羧酸根与混合液B中镍元素的摩尔比1:(0.5~4);
(d)混合完成后,继续在30~70℃的温度范围内保温并搅拌0.2~1.0h,然后停止搅拌,反应液在室温静置2~72h,过滤除去析出的不溶物,滤液即为前驱体溶液。
根据本发明,混合液A和混合液B混合的方式可以为:将混合液A缓慢滴加到混合液B中,或者将混合液B缓慢滴加到混合液A中,或者将混合液A和混合液B同时缓慢加入容器中。混合过程不断搅拌。
根据本发明,优选的,步骤(2)中减压浓缩的温度为20~50℃;减压浓缩的程度为至体系粘度为10~150Pa·s,更优选60~130Pa·s;静置陈化的时间为0.5~2h,静置陈化过程可脱除体系起泡。
根据本发明,优选的,步骤(3)中离心甩丝过程的转速控制在15000~29000r/min,甩丝孔直径为0.05~1.8mm,温度控制在30~60℃,相对湿度为30~40%。离心甩丝是在高速离心作用下将纺丝液牵伸成丝,获得氧化镍前驱体纤维;
优选的,步骤(3)中是喷吹成纤是采用高压空气、氮气或蒸汽对氧化镍纤维纺丝液进行喷吹,使纺丝液在气流的作用下分散和牵伸形成氧化镍前驱体纤维,喷吹成纤的工艺条件为:喷丝孔直径为0.01~0.30mm,喷吹气体的压力为5~20MPa,气流速率为5~80m/s。
根据本发明,优选的,步骤(4)中所述的高温烧结的方式为:以1~3℃/min的升温速率升温至400~550℃,并保温0.5~2.5h,进一步优选为400~500℃。
本发明制得的氧化镍纤维的直径约为10μm,长度可达10~100mm,晶粒尺寸为20~40nm,晶粒的晶相为立方相氧化镍。
本发明的技术特点及优良效果如下:
1、本发明选择合适的镍源,以羧酸(盐)作为配体,在一定的温度、搅拌、减压浓缩条件下制得氧化镍前驱体纤维,再通过离心甩丝和高温烧结得到氧化镍纤维,制备工艺简单、高效、成本低。
2、本发明所得氧化镍纤维结晶性好,直径均匀,具有良好的光催化效果,尤其是用于刚果红的光催化降解,4h内降解率可达90%以上。
附图说明
图1为本发明实施例1中得到的氧化镍前驱体纤维的照片。
图2为本发明实施例1中得到的氧化镍纤维的照片。
图3为本发明实施例1中得到的氧化镍纤维的SEM照片。
图4为本发明实施例1中得到的氧化镍纤维的TEM照片。
图5为本发明实施例1中得到的氧化镍纤维的HRTEM照片。
图6为本发明实施例1、实施例6、对比例1和对比例2中得到的氧化镍纤维的XRD谱图。其中NiO300、NiO400、NiO500和NiO600分别代表烧结温度为300℃(对比例1)、400℃(实施例1)、500℃(实施例6)和600℃(对比例2)。
图7为本发明实施例1、实施例6和对比例2得到的氧化镍纤维光催化降解刚果红的降解速率曲线。其中NiO400、NiO500和NiO600分别表示烧结温度为400℃(实施例1)、500℃(实施例6)和600℃(对比例2)。
具体实施方法
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明,但不限于此。
实施例中所用原料均为常规原料,所用设备均为常规设备,市购产品。
实施例1:
用一水合柠檬酸作配体制备氧化镍纤维:
(1)先称取167.78g一水合柠檬酸溶于1000ml水中,加热至60℃,然后称取100g碱式碳酸镍分批次加入到上述溶液中,温度保持在60℃,加热搅拌4h,直至反应物完全反应,溶液变为绿色透明溶液,得前驱体溶液;
(2)将所得前驱体溶液在45℃减压浓缩去除溶剂,得到粘度为75Pa·s的聚镍前驱体溶胶,静置脱泡和陈化1h得到纺丝液;
(3)环境条件控制在温度为45℃,相对湿度为35%,转速控制在19000r/min,纺丝孔直径为0.2mm,将得到的纺丝液注入高速甩丝盘中,高速离心作用下牵伸成丝,获得氧化镍前驱体纤维。离心甩丝得到的氧化镍前驱体纤维照片如图1所示,氧化镍前驱体纤维外观为绿色。
(4)将得到的氧化镍前驱体纤维以2℃/min的升温速率升温至400℃,并保温50min,自然降温,即可得到本发明所述氧化镍纤维。得到的氧化镍纤维照片如图2所示,氧化镍纤维外观为黑色。
本实施例所得氧化镍纤维的SEM、TEM、HRTEM照片和XRD谱图分别如图3、4、5和6(NiO400)所示。
本实施例得到的氧化镍纤维的直径为7~12μm,晶粒的粒径为20~40nm。
实施例2:
用苹果酸作配体制备氧化镍纤维:
如实施例1所述,所不同的是将配体由一水合柠檬酸换成苹果酸,称取苹果酸107g与100g碱式碳酸镍反应,纺丝液制备、离心甩丝和烧结过程同实施例1。
实施例3:
用马来酸作配体制备氧化镍纤维:
如实施例1所述,所不同的是将配体由一水合柠檬酸换成马来酸,称取马来酸93g与100g碱式碳酸镍反应,纺丝液制备、离心甩丝和烧结过程同实施例1。
实施例4:
用草酸作配体制备氧化镍纤维:
如实施例1所述,所不同的是将配体由一水合柠檬酸换成草酸,称取草酸101g与100g碱式碳酸镍反应,纺丝液制备、离心甩丝和烧结过程同实施例1。
实施例5:
用酒石酸作配体制备氧化镍纤维:
如实施例1所述,所不同的是将配体由一水合柠檬酸换成酒石酸,称取酒石酸120g与100g碱式碳酸镍反应,纺丝液制备、离心甩丝和烧结过程同实施例1。
实施例6:
如实施例1所述,所不同的是将烧结温度变为500℃,得到的氧化镍纤维的XRD谱图如图6(NiO500)所示。
实施例7:
如实施例1所述,所不同的是步骤(1)中将100g碱式碳酸镍换成59.58g氧化镍,反应温度为40℃;
步骤(2)中浓缩温度为40℃,得到粘度为90Pa·s的聚镍前驱体溶胶;
步骤(3)中环境条件控制在温度为30℃,相对湿度为30%,转速控制在15000r/min,纺丝孔直径为0.05mm;
步骤(4)中以1℃/min的升温速率升温至450℃,并保温1h。
实施例8:
如实施例1所述,所不同的是将100g碱式碳酸镍换成73.95g氢氧化镍,反应温度为60℃;
步骤(2)中浓缩温度为40℃,得到粘度为110Pa·s的聚镍前驱体溶胶;
步骤(3)中环境条件控制在温度为50℃,相对湿度为35%,转速控制在18000r/min,纺丝孔直径为1.0mm;
步骤(4)中以1℃/min的升温速率升温至450℃,并保温1h。
实施例9:
如实施例1所述,所不同的是将100g碱式碳酸镍换成94.66g碳酸镍,反应温度为80℃;
步骤(2)中浓缩温度为50℃,得到粘度为130Pa·s的聚镍前驱体溶胶;
步骤(3)中环境条件控制在温度为60℃,相对湿度为40%,转速控制在17000r/min,纺丝孔直径为1.8mm;
步骤(4)中以3℃/min的升温速率升温至480℃,并保温2h。
实施例10:
如实施例1所述,所不同的是,步骤(1)中的前驱体溶液通过复分解反应的方法制备得到:
称取100g无水氯化镍加入到800g乙醇中,搅拌得混合液A。称取82.6g醋酸钾加入到500g乙醇中,搅拌得混合液B,在30℃温度下,将混合液B滴加到混合液A中,滴加时间为30min,滴加过程中不断搅拌并在滴加结束后继续搅拌1h,停止搅拌后将反应液常温下静置12h,过滤,沉淀物为氯化钾,滤液即为前驱体溶液。
对比例1
如实施例1所述,所不同的是将烧结温度变为300℃。所得XRD谱图如图6(NiO300)所示。可知,烧结温度为300℃时,纤维样品为无定形态。
对比例2
如实施例1所述,所不同的是将烧结温度变为600℃,所得XRD谱图如图6(NiO600)所示。
实验例1:
将实施例1、6得到的氧化镍纤维进行光催化降解刚果红的实验,步骤如下:
取35ml浓度为20mg/L的刚果红溶液,分别放入20mg实施例1、6制得的氧化镍纤维。先把溶液放在黑暗处30min以达到吸附平衡,然后在300W的汞灯下进行降解,降解曲线如图6所示。由图6可知,在4h内实施例1得到的氧化镍纤维对刚果红的降解率为92%,实施例6得到的氧化镍纤维对刚果红的降解率为80%。
实验例2:
将对比例2得到的氧化镍纤维进行光催化降解刚果红的实验,步骤同实验例1,结果如图6(NiO600),对比例2得到的氧化镍纤维对刚果红的降解率为42%。
通过对比例1、2和实验例1、2可知,烧结温度对氧化镍纤维的形成和催化效果影响重大。烧结温度太低(低于400℃),将得不到纤维形态;烧结温度太高(高于500℃),会严重影响催化性能。

Claims (10)

1.一种采用羧酸作配体制备氧化镍纤维的方法,包括步骤如下:
(1)将羧酸溶于溶剂,在加热搅拌条件下加入镍源充分反应,得前驱体溶液;
或者,将羧酸盐和镍盐混合,通过复分解反应制备得到前驱体溶液;
(2)将步骤(1)得到的前驱体溶液减压浓缩,静置陈化,得纺丝液;
(3)将步骤(2)得到的纺丝液离心甩丝或喷吹成纤,得氧化镍前驱体纤维;
(4)将步骤(3)制得的氧化镍前驱体纤维高温烧结,即得氧化镍纤维。
2.根据权利要求1所述的制备氧化镍纤维的方法,其特征在于,步骤(1)中所述的羧酸为一水合柠檬酸、无水柠檬酸、醋酸、苹果酸、马来酸、二乙三胺五醋酸、三乙四胺六醋酸、乙二胺四乙酸或/和酒石酸。
3.根据权利要求1所述的制备氧化镍纤维的方法,其特征在于,步骤(1)中所述的镍源为氧化镍、单质镍、碱式碳酸镍、氢氧化镍或/和碳酸镍;
优选的,所述溶剂为甲醇,乙醇或水。
4.根据权利要求1所述的制备氧化镍纤维的方法,其特征在于,步骤(1)中所述的羧酸与镍源中镍元素的摩尔比为1:(0.5~4);所述的羧酸与溶剂的质量比为10:50~150,优选为10:80~100。
5.根据权利要求1所述的制备氧化镍纤维的方法,其特征在于,步骤(1)中羧酸溶于溶剂的溶解温度为20~90℃,优选40~80℃。
6.根据权利要求1所述的制备氧化镍纤维的方法,其特征在于,步骤(1)中加入镍源后的反应温度为20~90℃,反应时间为0.5~12h;优选反应温度为40~80℃,反应时间为3~6h。
7.根据权利要求1所述的制备氧化镍纤维的方法,其特征在于,步骤(1)中将羧酸盐和镍盐混合,通过复分解反应制备得到前驱体溶液的步骤如下:
(a)将镍盐加入到甲醇或乙醇中,得混合液A;
所述镍盐为氯化镍、氟化镍、溴化镍、硝酸镍及上述镍盐的水合物中的一种或任意组合,进一步优选为氯化镍;
(b)将配体源加入到有机溶剂中,得混合液B;
所述配体源为醋酸钾、醋酸钠、醋酸铵、丙酸钾、丙酸铵、丙酸钠、丙烯酸钾、丙烯酸钠、丙烯酸铵及上述化合物的水合物中的一种或任意组合,进一步优选为醋酸钾、醋酸钠和醋酸铵;
(c)在30~70℃温度下,将步骤(1)制备的混合液A和步骤(2)制备的混合液B中混合并不断搅拌;控制混合液A中羧酸根与混合液B中镍元素的摩尔比1:(0.5~4);
(d)混合完成后,继续在30~70℃的温度范围内保温并搅拌0.2~1.0h,然后停止搅拌,反应液在室温静置2~72h,过滤除去析出的不溶物,滤液即为前驱体溶液。
8.根据权利要求1所述的制备氧化镍纤维的方法,其特征在于,步骤(2)中减压浓缩的温度为20~50℃;
优选的,减压浓缩的程度为至体系粘度为10~150Pa·s;
优选的,静置陈化的时间为0.5~2h。
9.根据权利要求1所述的制备氧化镍纤维的方法,其特征在于,步骤(3)中离心甩丝过程的转速控制在15000~29000r/min,甩丝孔直径为0.05~1.8mm,温度控制在30~60℃,相对湿度为30~40%;
优选的,步骤(3)中是喷吹成纤是采用高压空气、氮气或蒸汽对氧化镍纤维纺丝液进行喷吹,使纺丝液在气流的作用下分散和牵伸形成氧化镍前驱体纤维,喷吹成纤的工艺条件为:喷丝孔直径为0.01~0.30mm,喷吹气体的压力为5~20MPa,气流速率为5~80m/s。
10.根据权利要求1所述的制备氧化镍纤维的方法,其特征在于,步骤(4)中所述的高温烧结温度为400~550℃,优选400~500℃;
优选的,高温烧结的方式为:以1~3℃/min的升温速率升温至400~550℃,并保温0.5~2.5h。
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