CN107107025A - SiO2层状双氢氧化物微球及它们的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备具有式I的二氧化硅层状双氢氧化物微球的方法:(i)其中,Mz+和M′y+是两种不同带电金属阳离子;z=1或2;y=3或4;0<x<0.9;b是0至10;c是0至10;P>0,q>0,Xn‑是阴离子;其中n>0a=z(1‑x)+xy‑2;以及AMO‑溶剂是100%水混溶性有机溶剂;包括以下步骤:(a)在碱和阴离子溶液存在的情况下使二氧化硅微球与包含金属离子Mz+和M′y+的含金属离子的溶液接触;(b)收集产物;以及(c)可选地用AMO‑溶剂处理产物并回收溶剂处理的材料以得到二氧化硅层状双氢氧化物微球。优选地,式I中的M是Li、Mg、Ni或Ca。优选地,式I中的M′是Al。本发明进一步提供了具有式I的二氧化硅层状双氢氧化物微球。二氧化硅层状双氢氧化物微球可以用作催化剂和/或催化剂载体。(SiO2)p@{[Mz+ (1‑x)M′y+ x(OH)2]a+(Xn‑)a/n·bH2O·c(AMO‑溶剂)}q (I)。
Description
技术领域
本发明涉及新的SiO2层状双氢氧化物(LDH)微球(SiO2-layered doublehydroxide(LDH)microsphere)及其制备方法。
背景技术
层状双氢氧化物(LDH)是包含两种或更多种金属阳离子并具有层状结构的一类化合物。结构与成键;卷119,2005,X Duan和D.G.Evans编辑的层状双氢氧化物(Structureand Bonding;Vol.119,2005 Layered Double Hydroxides ed.X Duan and D.G.Evans)中提供了LDH的评述。已经将水滑石研究了许多年,其或许是最众所周知的LDH的实例。LDH可以将阴离子插入结构的层之间。
文献中由“核@壳”(例如由Teng et al.,Nano Letters,2003,3,261-264)或由“核/壳”(例如J.Am.Chem Soc.,2001,123,第7961-7962页)描述了核壳颗粒。我们采用“核@壳”名称,因为其作为最常接受的缩写出现。
Shao et al,Chem.Mater.2012,24,第1192-1197页中描述了SiO2/LDH核-壳微球。在用金属前体溶液处理之前,通过在强力搅拌下将它们分散在Al(OOH)引物溶胶(primersol)中两个小时,随后离心,用乙醇洗涤并在空气中干燥30分钟引发SiO2微球。在将因此用薄Al(OOH)膜涂覆的SiO2球体在100℃下在Ni(NO3)2·6H2O和脲的溶液中高压灭菌48小时之前重复这种SiO2微球的引发处理10次。报导了通过该过程得到的空心SiO2-NiAl-LDH微球表现出优异的赝电容性能(pseudocapacitance performance)。令人遗憾地,在LDH生长之前,对于Al(OOH)引发SiO2表面的要求使该过程不适合在工业规模上使用。
Chen et al,J.Mater.Chem.A,1,3877-3880描述了用于除去水中的药物污染物的SiO2@MgAl-LDH的合成。所描述的合成包括由包含SiO2微球的金属前体溶液共沉淀LDH,随后是LDH纳米片(nanosheet)在SiO2微球的表面上的超声波辅助的直接生长。令人遗憾地,报导的方法不允许调节LDH的表面的形态且产物SiO2@LDH的表面积不大。
发明内容
本发明的一个目的是提供制备SiO2@LDH微球的容易方法,其克服现有技术的缺点,具体是不需要初始在用金属前体溶液处理之前在SiO2表面上形成Al(OOH)膜的步骤或不需要在实现SiO2表面上的LDH生长中的超声波辅助。本发明的另一个目的是提供SiO2@LDH,其中可以对于不同的应用容易地调节LDH层的厚度、尺寸和形态中的每种。本发明的又一个目的是提供具有高表面积的SiO2@LDH。
该目的通过制备具有通式I的二氧化硅层状双氢氧化物微球的方法实现:
(SiO2)p@{[Mz+ (1-x)M′y+ x(OH)2]a+(Xn-)a/n·bH2O·c(AMO-溶剂)}q(I)
其中,
Mz+和M′y+是两种不同带电金属阳离子;
z=1或2;
y=3或4;
0<x<0.9;
b是0至10;
c是0至10;
p>0,
q>0;
Xn-是阴离子;其中n>0(优选1-5)
a=z(1-x)+xy-2;以及
AMO-溶剂是100%水混溶性(aqueous miscible)有机溶剂;
方法包括以下步骤:
(a)在碱和阴离子溶液存在的情况下使二氧化硅微球和包含金属离
子Mz+和M′y+的含金属离子溶液接触;
(b)收集产物;以及
(c)可选地用AMO-溶剂处理产物并回收溶剂处理的材料(solvent treatedmaterial)。
根据本发明的进一步方面,提供了通过本文定义的过程得到、直接得到或可得到的二氧化硅层状双氢氧化物微球或多种二氧化硅层状双氢氧化物微球。
已知二氧化硅层状双氢氧化物微球包含具有附着于其表面的固体LDH的二氧化硅微球。表示为SiO2@LDH的这种材料可以是其中SiO2微球是实心球(solid sphere)的核-壳材料,其中SiO2微球包括外壳和包含在外壳中的较小SiO2球体的蛋黄-壳(yolk-shell)材料,其中在较小球体和外壳的内表面之间存在空心部分,或其中SiO2微球具有空心内部的空心壳(hollow shell)材料。
在一个实施方式中,该方法不包括使用超声波在SiO2表面上生长LDH的步骤。
用于制备根据本发明的SiO2@LDH微球的SiO2微球可以是实心(solid,固体)、蛋黄-壳或空心微球并且是在各种尺寸(直径)下商业可获得的。然而,可以通过修改的过程制备SiO2微球,其涉及氨催化的水解以及将乙醇作为溶剂和将溴化十六烷基三甲基铵作为表面活性剂致孔剂(porogen)的四乙基正硅酸盐的缩合,如在本领域中众所周知的。
在一个实施方式中,二氧化硅微球不包含任何铁。
在另一个实施方式中,二氧化硅微球包含大于75%w/w的SiO2。适当地,二氧化硅微球包含大于85%w/w的SiO2。更适当地,二氧化硅微球包含大于95%w/w的SiO2。最适当地,二氧化硅微球包含大于98%w/w的SiO2。
在另一个实施方式中,二氧化硅微球基本上由SiO2组成。
在另一个实施方式中,二氧化硅微球由SiO2组成。
在另一个实施方式中,SiO2微球具有0.15μm和8μm之间的平均直径。适当地,SiO2微球具有0.15μm和2μm之间的平均直径。更适当地,SiO2微球具有0.15μm和1μm之间的平均直径。最适当地,SiO2微球具有0.2μm和0.8μm之间的平均直径。
在SiO2微球表面上生长的LDH纳米片包含由通式I表示的LDH,并优选地由其组成:
[Mz+ 1-xM′y+ x(OH)2]a+(Xn-)a/n·bH2O·c(AMO-溶剂) (I),
其中,Mz+和M′y+是不同带电金属阳离子;z=1或2;y=3或4;0<x<0.9;b=0–10;c=0–10,Xn-是阴离子,n是阴离子上的电荷,n>0(优选地1-5);a=z(1-x)+xy-2;以及AMO-溶剂是100%水混溶性有机溶剂。
如上所述,Mz+和M′y+是不同带电金属阳离子。对于z=1或2的事实,M将是单价金属阳离子或二价金属阳离子。当z=1时,M是单个单价金属阳离子或两种或更多种不同的单价金属阳离子。当z=2时,M是单个二价金属阳离子或两种或更多种不同的二价金属阳离子。在一个实施方式中,z=2,即M是一种或多种二价金属阳离子。鉴于y=3或4的事实,M′将是三价金属阳离子或四价金属阳离子。当z=3时,M′是单个三价金属阳离子或两种或更多种不同的三价金属阳离子。当z=4时,M′是单个四价金属阳离子或两种或更多种不同的四价金属阳离子。在一个实施方式中,y=3,即M′是一种或多种三价金属阳离子。
对于M,单价金属的优选的实例是Li。对于M,二价金属的实例包括Ca、Mg、Zn、Fe、Co、Cu和Ni以及这些中的两种或更多种的混合物。优选地,如果存在,二价金属M是Ca、Ni或Mg。对于M′,金属的实例包括Al、Ga、In、Y和Fe。优选地,M′是三价阳离子,例如Al。优选地,LDH将是Li-Al、Mg-Al或Ca-Al LDH。
LDH中的阴离子Xn-是任何适当的无机或有机阴离子。可以用作LDH中的Xn-的阴离子的实例包括碳酸根、氢氧根、硝酸根、硼酸根、硫酸根、磷酸根和卤离子(F-、Cl-、Br-、I-)阴离子。优选地,阴离子Xn-选自CO3 2-、NO3 -和Cl-。
AMO-溶剂是任何水混溶性有机溶剂,即与水100%混溶的溶剂。用于本发明的合适的水混溶性有机溶剂的实例包括丙酮、乙腈、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、二氧六环、乙醇、甲醇、正丙醇、异丙醇或四氢呋喃中的一种或多种。适当地,用于本发明的水混溶性有机溶剂选自低级(1-3C)烷醇和丙酮。优选地,AMO-溶剂是甲醇、乙醇或丙酮,尤其是丙酮和乙醇。
根据一个优选的实施方式,层状双氢氧化物是具有以上通式I的那些。
其中Mz+是二价金属阳离子;
M′y+是三价金属阳离子;以及
b和c中的每个是数值>0,其给出与化学计量或非化学计量的水和/或与水混溶性有机溶剂(AMO-溶剂)如丙酮或乙醇可选地水合的化合物。
优选地,在上式的LDH中,M是Mg或Ca以及M′是Al。抗衡离子Xn-典型地选自CO3 2-、OH-、F-、Cl-、Br-、I-、SO4 2-、NO3 -和PO4 3-。在一个最优选的实施方式中,LDH将是其中M是Mg,M′是Al以及Xn-是CO3 2-中的一种。
在进行本发明的方法中,优选地将SiO2微球分散在包含期望的阴离子盐的水溶液中,例如Na2CO3。然后可以添加(优选地逐滴)金属前体溶液(即组合要求的单价或二价金属阳离子和要求的三价阳离子的溶液)到SiO2微球的分散体中。优选地,在搅拌下进行金属前体溶液的添加。优选地将反应溶液的pH控制在8至12、典型地8-11、更优选地9至10的pH范围内。
在一个实施方式中,本发明的方法不包含氨。
可以通过SiO2在较高温度和较高pH值下溶解或部分溶解的趋势控制SiO2@LDH微球的结构。例如,在室温和pH 10下进行添加金属前体溶液到SiO2微球的分散体中给出实心SiO2@LDH颗粒,但是通过升高反应溶液的温度例如至40℃,可以得到蛋黄壳SiO2@LDH颗粒。通过在室温下但是使用较高的溶液pH例如pH 11进行反应,可以产生空心壳SiO2@LDH颗粒。
典型地,可以将NaOH用于调节溶液的pH。
在反应期间,在作为纳米片的微球的SiO2表面上形成由金属前体溶液反应产生的LDH。
优选的是步骤(a)中的含金属离子溶液的温度在20至150℃的范围内。更优选地,20至80℃。
在一个优选的实施方式中,二氧化硅层状双氢氧化物微球具有至少100m2/g、优选地至少177m2/g、以及更优选地至少200m2/g、以及更加优选地至少250m2/g的比表面积。
适当地,二氧化硅层状双氢氧化物微球包含实心二氧化硅微球核并具有至少100m2/g的比表面积。
适当地,二氧化硅层状双氢氧化物微球包含蛋黄-壳微球核并具有至少100m2/g的比表面积。
适当地,二氧化硅层状双氢氧化物微球包含空心壳微球核并具有至少130m2/g的比表面积。
最优选地,二氧化硅层状双氢氧化物微球具有空心壳、蛋黄-壳和实心核-壳结构中的至少一种结构。
在一个优选的实施方式中,二氧化硅层状双氢氧化物微球具有大于65nm、优选大于110nm、更优选大于160nm的层状双氢氧化物层厚度。
从含水介质中收集得到的固体产物。收集固体产物的方法的实例包括离心和过滤。典型地,可以将收集的固体再分散于水中,然后再次收集。优选地,将收集和再分散步骤重复两次。
然后可以使最终得到的固体材料例如在烘箱中经受干燥几小时。
如果需要包含AMO-溶剂的产物,可以用期望的溶剂例如丙酮或乙醇洗涤以及优选地再分散以上所描述的收集/再分散流程之后得到的材料。如果采用再分散,则优选地搅拌分散体。优选的是在溶剂中搅拌大于2小时。然后可以从溶剂中收集最终的产物,然后干燥,典型地在烘箱中几小时。
在一个实施方式中,原位形成LDH层。适当地,形成LDH并将其原位涂覆到二氧化硅微球上。
LDH纳米片在SiO2微球的表面上的生长是“可调节的”。也就是说,通过改变前体溶液的化学作用、反应介质的pH和添加前体溶液到SiO2微球的分散体中的速率,可以改变在SiO2表面上形成的LDH纳米片的程度、和长度和/或厚度。
可以作为分批过程或与适当的补充反应物一起作为连续过程进行根据本发明的SiO2@LDH微球的生产。
其中用溶剂处理SiO2@LDH的本发明的方法的产物、即具有其中c大于零的上式I的产物是本发明本身潜在的问题的解决方案。
因此,根据进一步的方面,本发明提供了具有式I的二氧化硅层状双氢氧化物微球:
(SiO2)p@{[Mz+ (1-x)M′y+ x(OH)2]a+(Xn-)a/n·bH2O·c(AMO-溶剂)}q(I)
其中,
Mz+和M′y+是两种不同带电金属阳离子;
z=1或2;
y=3或4;
0<x<0.9;
b是0至10;
c是0至10;
p>0,
q>0;
Xn-是阴离子;其中n>0(优选地1-5)
a=z(1-x)+xy-2;以及
AMO-溶剂是100%水混溶性有机溶剂。
以上式I中的M′优选地是Al。
以上式I中的M优选地是Li、Mg、Ga、In、Ni、Co、Cu或Ca,更优选地是Mg或Ni。
根据一个实施方式,以上式I中的Xn-选自碳酸根、硝酸根、硼酸根、硫酸根、磷酸根、氢氧根和卤化物阴离子(F-、Cl-、Br-、I-)。优选地,阴离子Xn-选自CO3 2-、NO3 -和Cl-。
根据一个特别优选的实施方式,本发明的SiO2@LDH微球包含具有以上式I的LDH,其中M是Mg,M′是Al以及Xn-是CO3 -。
以上式I的AMO-溶剂是可溶于水的一种,尤其是100%可溶于水的一种。可以使用的溶剂的实例包括甲醇、乙醇和丙酮。根据本发明的一个优选的实施方式,溶剂是乙醇或丙酮。
可以将根据本发明的SiO2@LDH用作催化剂和/或催化剂载体。
特别优选的实施方式
以下代表二氧化硅层状双氢氧化物的具体实施方式:
1.1二氧化硅层状双氢氧化物微球具有通式I
(SiO2)p@{[Mz+ (1-x)M′y+ x(OH)2]a+(Xn-)a/n·bH2O·c(AMO-溶剂)}q (I)
其中,
Mz+选自Li+、Ca2+、Ni2+或Mg2+,以及M′y+是Al3+或Fe3+;
0<x<0.9;
b是0至10;
c是0至10;
p>0,
q>0;
Xn-选自碳酸根、氢氧根、硝酸根、硼酸根、硫酸根、磷酸根和卤化物(F-、Cl-、Br-、I-)阴离子;其中n>0(优选地1-5),
a=z(1-x)+xy-2;以及
AMO-溶剂选自低级(1-3C)烷醇(例如乙醇)或丙酮。
1.2二氧化硅层状双氢氧化物微球具有通式I
(SiO2)p@{[Mz+ (1-x)M′y+ x(OH)2]a+(Xn-)a/n·bH2O·c(AMO-溶剂)}q (I)
其中,
Mz+选自Li+、Ca2+、Ni2+或Mg2+,以及M′y+是Al3+;
0<x<0.9;
b是0至10;
c是0至10;
p>0,
q>0;
Xn-选自CO3 2-、NO3 -或Cl-;其中n>0(优选地1-5)
a=z(1-x)+xy-2;以及
AMO-溶剂是丙酮或乙醇。
1.3二氧化硅层状双氢氧化物微球具有通式Ia
(SiO2)p@{[Mz+ (1-x)Al3+ x(OH)2]a+(Xn-)a/n·bH2O·c(AMO-溶剂)}q (Ia)
其中,
Mz+选自Li+、Ca2+、Ni2+或Mg2+;
0<x<0.9;
b是0至10;
c是0至10;
p>0,
q>0;
Xn-选自CO3 2-、NO3 -或Cl-;其中n>0(优选地1-5),
a=z(1-x)+xy-2;以及
AMO-溶剂是丙酮或乙醇。
1.4二氧化硅层状双氢氧化物微球具有通式Ia
(SiO2)p@{[Mg2+ (1-x)Al3+ x(OH)2]a+(Xn-)a/n·bH2O·c(AMO-溶剂)}q (Ia)
其中,
0<x<0.9;
b是0至10;
c是0至10;
p>0,
q>0;
Xn-选自CO3 2-、NO3 -或Cl-;其中n>0(优选地1-5),
a=z(1-x)+xy-2;以及
AMO-溶剂是丙酮或乙醇。
1.5二氧化硅层状双氢氧化物微球具有通式Ib
(SiO2)p@{[Mg2+ (1-x)Al3+ x(OH)2]a+(CO3 2)a/n·bH2O·c(丙酮)}q (Ib)
其中,
0<x<0.9;
b是0至10;
c是0至10;
p>0,
q>0;
a=z(1-x)+xy-2。
1.6二氧化硅层状双氢氧化物微球具有通式Ic
(SiO2)0.04@{[Mg0.75Al0.25(OH)2](CO3)0.125·1.34(H2O)}0.05 (Ic)
1.7二氧化硅层状双氢氧化物微球具有通式Id
(SiO2)0.04@{[Mg0.75Al0.25(OH)2](CO3)0.125·0.29(H2O)·0.15(丙酮)}0.05 (Id)
本发明的任一个具体方面的优选的、合适的和可选的特征也是任何其他方面优选的、合适的和可选的特征。
附图说明
图1.示出了二氧化硅纳米颗粒的三种尺寸(a)300nm,(b)550nm和(c)800nm的XRD图案。
图2.不同尺寸的二氧化硅纳米颗粒(a)800nm,(b)550nm和(c)300nm的TGA曲线。
图3.经由晶种生长制备的800nm二氧化硅微球的SEM图像。
图4.(a)550nm二氧化硅微球,(b)LDH纳米颗粒和(c)SiO2@LDH微球(根据实施例1合成的(b)和(c))的XRD图案。
图5.(a)LDH,(b)SiO2@LDH微球和(c)二氧化硅纳米颗粒(根据实施例1合成的(a)和(b))的重量损失百分数。
图6.(a)二氧化硅微球和(b)SiO2@LDH微球(根据实施例1合成的(b))的29Si固态NMR。
图7.在不同的pH条件(a)氨方法(实施例4),(b)pH 9,(c)pH10和(d)pH 11((b)-(d):实施例1)下制备的SiO2@LDH微球的XRD图案。
图8.在不同的pH条件(a)pH 11,(b)pH 10,(c)氨方法和(d)pH 9下制备的SiO2@LDH微球的TGA。
图9.除了在不同温度(a)室温,(b)40℃下根据实施例1合成的SiO2@LDH微球的TEM图像。
图10.除了在不同的温度(a)室温和(b)40℃下根据实施例1制备的SiO2@LDH微球的TGA和dTGA曲线,(i)TGA曲线,(ii)dTGA曲线。
图11.除了在不同的温度(i)在室温(ii)在40℃下根据实施例1制备的SiO2@LDH的固态NMR(a)29Si(b)27Al。
图12.用不同的Mg:Al比(a)1:1(实施例2),(b)3:1(实施例3)制备的SiO2@LDH微球的XRD图案。
图13.(a)常规的水洗(b)丙酮洗涤根据实施例1制备的SiO2@LDH微球的XRD图案。
图14.(a)常规的水洗(b)丙酮洗涤根据实施例2制备的SiO2@LDH微球的TGA。
图15.具有不同的Mg/Al比率(a)1:1(实施例2),(b)2:1(实施例1)和(c)3:1(实施例3)的SiO2@LDH微球的TEM图像。
图16.除了具有不同的二氧化硅尺寸(a)300nm,(b)550nm和(c)800nm根据实施例1的SiO2@LDH微球的TEM图像。
图17.具有不同的形态(a)实心(实施例1)、(b)蛋黄-壳(在40℃下实施例1)和(c)空心(在pH 11下实施例1)的SiO2@LDH微球的TEM图像。
图18.(a)pH=10和室温(b)pH=10和40℃(c)pH=11和40℃的Mg:Al=3:1的SiO2@AMO-LDH的XRD图案。
图19.(a)pH=10和室温(b)pH=10和40℃(c)pH=11和40℃的Mg:Ni:Al=2.7:0.3:1的SiO2@AMO-LDH的XRD图案。
图20.(a)pH=10和室温(b)pH=10和40℃(c)pH=11和40℃的Mg:Al:Fe=3:0.9:0.1的SiO2@AMO-LDH的XRD图案。
图21.在pH=10和室温下(a)Mg:Al=3:1,(b)Mg:Al:Fe=3:0.9:0.1的根据实施例5和7的SiO2@AMO LDH微球的TEM图像。
图22.(a)pH=10和室温,(b)pH=10和40℃,(c)pH=11和40℃的根据实施例6的具有不同形态的Mg:Ni:Al=2.7:0.3:1微球的SiO2@AMO-LDH的TEM图像。
具体实施方式
实验方法
1.大体细节
1.1粉末X-射线衍射
在PANAnalytical X’Pert Pro衍射仪上以反射模式和PANAnalytical Empyrean系列2在40kV和40mA使用Cu Kα辐射 采集粉末X-射线衍射(XRD)数据。从5°≤0≤70°在改变的扫描速度和狭缝尺寸下记录扫描值。将样品安装在不锈钢样品支架上。通过XRD样品支架产生43-44°的峰并可以将其忽略。
1.2热重分析
使用Netzsch STA 409 PC仪器采集热重分析(TGA)测量数据。在刚玉坩埚(corundum crucible)中在30℃和800℃之间以5℃min-1的加热速率在氮气流动流下加热样品(10-20mg)。
1.3固态NMR光谱
在Varian Chemagnetics CMX Infinity 200(4.7T)上记录29Si和27Al MAS NMR光谱。将样品包装在7.5mm氧化锆转子中。将双共振MAS探测器用于所有测量并将4kHz的MAS速率用于29Si,而将6kHz的MAS速率用于27Al。用使用短脉冲长度(0.7μs)应用的单脉冲激发获取27Al MAS NMR光谱。由2000次扫描得到的每个光谱通过1s延迟分开。27Al化学位移参照Al(NO3)3的水溶液(δ=0ppm)。为了得到定量的29Si DPMAS NMR光谱,典型地通过68ms(填充至16K的1024个数据点零)的获取时间和30s的再循环延迟获取5000个瞬变值。所有的29Si光谱外部参照高岭石(在δ(TMS)=0ppm的级别上δ=-91.7ppm)作为第二参照。
1.4透射电子显微术
在JEOL 2100显微镜上用200kV的加速电压进行透射电子显微术(TEM)分析。通过超声处理将颗粒分散在水或乙醇中,然后浇铸到涂覆有碳膜的铜网上并干燥。
1.5扫描电子显微术
在JEOL JSM 6610扫描电子显微镜上进行扫描电子显微术(SEM)分析。将颗粒分散于水中并浇铸到干净的二氧化硅晶片上。在成像之前,用薄的铂层涂覆样品以防止充电并改善图像质量。将也在该仪器上进行的能量散射X-射线光谱(EDX)用于确定样品表面上的构成元素的相对量。
1.6布鲁诺尔-艾米特-泰勒(Brunauer-Emmett-Teller)表面积分析
由在77K下从Quantachrome Autosorb表面积和孔径分析仪采集的N2吸附和解吸附等温线测量布鲁诺尔-艾米特-泰勒(BET)比表面积。
实施例1
使用超声波处理将二氧化硅球体(100mg,550nm)分散在去离子水(20mL)中。在30min之后,将Na2CO3(0.96mmol)添加到溶液中并进行另外5min的超声处理以形成溶液A。接下来,以60mL/h的速率在室温下在强力的搅拌下将包含Mg(NO3)2·6H2O(0.96mmol)和Al(NO3)3·9H2O(0.48mmol)的水溶液(19.2mL)添加到溶液A中。通过添加1M NaOH,将反应溶液的pH控制到10。通过在4000rpm下离心5min收集得到的固体,然后再分散于去离子水(40mL)中并搅拌1h。重复收集和再分散两次。然后,用丙酮(40mL)洗涤固体,然后再分散于丙酮(40mL)中并搅拌过夜。然后在真空下干燥固体。
在用丙酮处理之前,在该实施例中得到的SiO2@LDH具有下式:
(SiO2)0.04@{[Mg0.75Al0.25(OH)2](CO3)0.125·1.34(H2O)}0.05
在丙酮处理之后得到的SiO2@AMO-LDH具有下式:
(SiO2)0.04@{[Mg0.75Al0.25(OH)2](CO3)0.125·0.29(H2O)·0.15(丙酮)}0.05
通过在40℃和pH10下添加包含Mg(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O的水溶液得到蛋黄壳颗粒。
通过在室温但在pH 11下添加包含Mg(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O的水溶液得到空心壳颗粒。
表面积分析
使如上所述制备但是没有丙酮处理的实心SiO2@LDH、蛋黄壳SiO2@LDH和空心壳SiO2@LDH经受布鲁诺尔-艾米特-泰勒(BET)表面积分析。
产物的N2BET表面积是:
有利地可以将以上记录的BET表面积与根据(A)Shao et al.Chem.Mater.2012,24,第1192-1197页制备的SiO2@LDH的那些和根据(B)Chen et al.J.Mater.Chem.A,1,3877-3880制备的SiO2@LDH的那些比较。
(A)用Al(OOH)预处理的SiO2微球
产物SiO2@NiAl LDH.
(B)SiO2微球–没有预处理-氨方法
产物SiO2@LDH.
根据实施例1中以及以下具有不同的LDH层厚度的实施例2和3中所描述的流程制备核-壳SiO2@LDH。改变Mg/Al的比率以控制LDH层的厚度。发现1:1的Mg:Al比率给出65nm的LDH层厚度,发现2:1的比率给出110nm的LDH层厚度以及使用3:1的Mg:Al比率得到160nm的层厚度。图15中示出了TEM图像。同样使用不同尺寸的SiO2微球:300nm、550nm和800nm根据以上实施例1所描述的流程制备核-壳SiO2@LDH。图16中示出了TEM图像。如上所述用不同的形态(a)实心(实施例1)、(b)蛋黄壳(实施例1在40℃下)和(c)空心(实施例1在pH 11下)产生的SiO2@LDH的TEM图像示于图17中。
实施例2
为了得到1:1Mg:Al LDH,重复以上描述的实施例1中的流程,除了在强力搅拌下以60mL/h的速率将包含Mg(NO3)2·6H2O(0.72mmol)和Al(NO3)3·9H2O(0.72mmol)的水溶液(19.2mL)添加到溶液A中。
实施例3
为了得到3:1Mg:Al LDH,重复以上描述的实施例1中的流程,除了在强力搅拌下以60mL/h的速率将包含Mg(NO3)2·6H2O(1.08mmol)和Al(NO3)3·9H2O(0.36mmol)的水溶液(19.2mL)添加到溶液A中。
图12示出了通过1:1(实施例2)和3:1(实施例3)的Mg:Al比率制备的SiO2@LDH样品的XRD图案。
实施例4
经由共沉淀方法合成二氧化硅@LDH颗粒。使用超声波处理将二氧化硅球体(100mg,550nm)分散在去离子水(20mL)中。在30min之后,将阴离子盐(0.96mmol)Na2CO3添加到包含氨的溶液(0.8mL,35%)中并进行另外5min的超声处理以形成溶液A。接下来,以60mL/h的速率在强力搅拌下将包含Mg(NO3)2·6H2O)(0.96mmol)和Al(NO3)3·9H2O(0.48mmol)的水溶液(19.2mL)添加到溶液A中。通过在4000rpm下离心5min收集得到的固体,然后再分散于去离子水(40mL)中并搅拌1h。重复收集和再分散两次。然后,用丙酮(40mL)洗涤固体,然后再分散于丙酮(40mL)中并搅拌过夜。然后在真空下干燥固体。然后在真空下干燥悬浮液用于材料表征。
在上述说明书、权利要求以及附图中公开的特征可以单独地或以它们的任何组合用于以其多种形式实现本发明的材料。
实施例5
为了得到二氧化硅@AMO-LDH,Mg:Al=3:1。通过使用共沉淀方法合成二氧化硅@LDH颗粒,通过使用超声处理30min将二氧化硅球体(100mg)分散在去离子水(20mL)中,在溶液中添加阴离子盐Na2CO3(0.96mmol)并进一步超声处理5min,最终的溶液称为A。然后在强力搅拌下以60mL/h的速率将包含(1.08mmol)Mg2+和(0.36mmol)Al3+的水溶液(19.2mL)添加到溶液A中。通过自动滴定器添加1M NaOH控制反应溶液的pH。以及通过pH和温度控制二氧化硅@LDH的形态。通过在5000rpm下离心5min收集得到的固体,然后再分散在去离子水(40mL)中并搅拌1h,需要重复洗涤两次。在最终分离之前,用丙酮(40mL)洗涤固体并搅拌过夜,然后在真空下干燥悬浮液。
实施例6
为了得到二氧化硅@AMO-LDH,Mg:Ni:Al=2.7:0.3:1。将通过使用共沉淀方法合成二氧化硅@LDH颗粒,通过使用超声处理30min将二氧化硅球体(100mg)分散在去离子水(20mL)中,在溶液中添加阴离子盐Na2CO3(0.96mmol)并进一步超声处理5min,最终的溶液称为A。然后在强力搅拌下以60mL/h的速率将包含(0.972mmol)Mg2+、(0.108mmol)Ni2+和(0.36mmol)Al3+的水溶液(19.2mL)添加到溶液A中。通过自动滴定器添加1M NaOH,控制反应溶液的pH。如下通过pH和温度控制二氧化硅@LDH的形态。通过在5000rpm下离心5min收集得到的固体,然后再分散在去离子水(40mL)中并搅拌1h,需要重复洗涤两次。在最终分离之前,用丙酮(40mL)洗涤固体并搅拌过夜,然后在真空下干燥悬浮液。
实施例7
为了得到二氧化硅@AMO-LDH,Mg:Al:Fe=3:0.9:0.1。使用共沉淀方法合成二氧化硅@LDH颗粒,通过使用超声处理30min将二氧化硅球体(100mg)分散在去离子水(20mL)中,在溶液中添加阴离子盐Na2CO3(0.96mmol)并进一步超声处理5min,最终的溶液称为A。然后在强力搅拌下以60mL/h的速率将包含(1.08mmol)Mg2+、(0.324mmol)Al3+和(0.036mmol)Fe3+的水溶液(19.2mL)添加到溶液A中。通过自动滴定器添加1M NaOH控制反应溶液的pH。如下通过pH和温度控制二氧化硅@LDH的形态。通过在5000rpm下离心5min收集得到的固体,然后再分散在去离子水(40mL)中并搅拌1h,需要重复洗涤两次。在最终分离之前,用丙酮(40mL)洗涤固体并搅拌过夜,然后在真空下干燥悬浮液。
Claims (21)
1.一种制备具有式I的二氧化硅层状双氢氧化物微球的方法,
(SiO2)p@{[Mz+ (1-x)M′y+ x(OH)2]a+(Xn-)a/n·bH2O·c(AMO-溶剂)}q (I)
其中,
Mz+和M′y+是两种不同带电金属阳离子;
z=1或2;
y=3或4;
0<x<0.9;
b是0至10;
c是0至10;
p>0,
q>0,
Xn-是阴离子;其中n>0
a=z(1-x)+xy-2;并且
所述AMO-溶剂是100%水混溶性有机溶剂;
所述方法包括以下步骤:
(a)在碱和阴离子溶液存在的情况下使二氧化硅微球与包含金属离子Mz+和M′y+的含金属离子溶液接触;
(b)收集产物;以及
(c)可选地用AMO-溶剂处理所述产物并回收溶剂处理的材料以获得所述二氧化硅层状双氢氧化物微球。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,M′是一种或多种三价金属阳离子。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,M是一种或多种二价金属阳离子。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,Xn-选自CO3 2-、OH-、F-、Cl-、Br-、I-、SO4 2-、NO3 -和PO4 3-,优选地选自CO3 2-、Cl-和NO3 -,或它们中的两种或更多种的混合物。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,M是Mg,M′是Al并且Xn-是CO3 -。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,步骤(a)中所述含金属离子溶液的pH在8至12的范围内。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,所述pH是9至10。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,将在步骤(b)中收集的所述产物分散在所述AMO-溶剂中,并且其中,所述式I中的c具有大于0并且至多达10的值。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,将所述产物在所述AMO-溶剂中的分散维持2个或更多个小时,然后将所述处理的材料与所述溶剂分离。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述AMO-溶剂是丙酮、乙醇或甲醇或它们的混合物,优选地是丙酮或乙醇。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,步骤(a)中所述含金属离子溶液的温度在20至150℃的范围内。
12.根据权利要求11所述的方法,其中,所述温度是20至80℃。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述二氧化硅层状双氢氧化物微球具有通过N2BET确定的至少177m2/g、优选至少200m2/g的比表面积。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述二氧化硅层状双氢氧化物微球具有来自空心壳、蛋黄-壳和实心核-壳结构中的至少一种结构。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述二氧化硅层状双氢氧化物微球具有大于65nm、优选大于110nm、更优选大于160nm的层状双氢氧化物层厚度。
16.具有以下式I的二氧化硅层状双氢氧化物微球:
(SiO2)p@{[Mz+ (1-x)M′y+ x(OH)2]a+(Xn-)a/n·bH2O·c(AMO-溶剂)}q (I)
其中,
Mz+和M′y+是两种不同带电金属阳离子;
z=1或2;
y=3或4;
0<x<0.9;
b是0至10;
c是0至10;
p>0,
q>0;
Xn-是阴离子,其中n>0;
a=z(1-x)+xy-2;并且
AMO-溶剂是100%水混溶性有机溶剂。
17.根据权利要求16所述的二氧化硅层状双氢氧化物微球,其中,M′是一种或多种三价阳离子。
18.根据权利要求16或17所述的二氧化硅层状双氢氧化物微球,其中,M是一种或多种二价阳离子。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的二氧化硅层状双氢氧化物微球,其中,Xn-选自CO3 2-、OH-、F-、Cl-、Br-、I-、SO4 2-、NO3 -和PO4 3-,优选地选自CO3 2-、Cl-和NO3 -,或它们的混合物。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的二氧化硅层状双氢氧化物微球,其中,M是Mg,M′是Al并且Xn-是CO3 2-。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的二氧化硅层状双氢氧化物微球,其中,所述AMO-溶剂是丙酮、乙醇、甲醇或它们的混合物,优选地是丙酮或乙醇。
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