CN107583671B - 一种核壳结构纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种核壳结构纳米复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核壳结构纳米复合材料及其制备方法,所述方法包括如下步骤:1)将铁盐与对苯二甲酸经溶剂热反应得到MIL‑101(Fe)八面体;2)将步骤1)制备的MIL‑101(Fe)八面体加入乙醇溶液中,之后加入钛酸四正丁酯搅拌,然后加入水、氢氟酸经水热反应得到MIL‑101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料。本发明的核壳结构纳米复合材料,结合了MIL‑101(Fe)和TiO2两种材料各自的特点和优势,形成了一种新型的复合材料,在有机污染物降解、水分解以及CO2还原等光催化具有更大的应用前景。

Description

一种核壳结构纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米复合新材料技术领域,具体涉及一种核壳结构纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是由有机配体和过渡金属离子自组装形成的新型多孔材料,具有高的空隙率,高的比表面积,可裁剪孔道结构,表面可官能化及良好的拓扑结构等特点。MILs(Materials Institute Lavoisier)系列的材料是MOFs材料的经典代表之一,部分MILs材料具有柔韧性,不同压力和温度影响下,孔道会发生扩张和收缩。MIL-101材料因在气体分离、储存、吸附、催化领域具有较好的应用前景被称为MILs的经典,MIL-101(Fe)材料,具有无毒无污染且制备工艺简单的优点,被广泛运用。
半导体材料TiO2,因其具有最佳白度和光亮度、高的催化活性、化学稳定性以及无毒无害等优点,被广泛运用在颜料制备、有机污染物降解、水分解以及CO2还原等领域。就光催化性能而言,因TiO2禁带较宽,吸附性能较差,使光催化性能受到限制。
因此,如何考虑将可见光响应、吸附性能较强的金属有机骨架材料和半导体材料TiO2相结合,综合上述两种材料各自的特点和优势来制备一种新型的多功能复合材料,是我们迫切需要解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提供一种核壳结构纳米复合材料及其制备方法,目的是结合MIL-101(Fe)和TiO2两种材料各自的特点和优势。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种核壳结构纳米复合材料的制备方法,所述方法包括如下步骤:
1)将铁盐与对苯二甲酸经溶剂热反应得到MIL-101(Fe)八面体;
2)将步骤1)制备的MIL-101(Fe)八面体加入乙醇溶液中,之后加入钛酸四正丁酯搅拌,然后加入水、氢氟酸经水热反应得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料。
步骤1)中所述铁盐为FeCl3·6H2O,溶剂热反应采用的溶剂为二甲基甲酰胺,溶剂热反应得到MIL-101(Fe)八面体的方法是将FeCl3·6H2O与对苯二甲酸加入到二甲基甲酰胺溶液中,之后经超声、加热反应、离心、洗涤和干燥后,制得。
所述FeCl3·6H2O在二甲基甲酰胺溶液中的摩尔浓度为0.15-0.16mol/L;对苯二甲酸在二甲基甲酰胺溶液中摩尔浓度为0.07-0.08mol/L。
所述超声是在室温下超声10-20min,加热反应的反应温度为110-130℃,反应时间为20-24h。
步骤2)中所述钛酸四正丁酯在乙醇溶液中的浓度为0.013~0.015mol/L;水与乙醇溶液的体积比为7:100-17:200;氢氟酸与乙醇溶液的体积比为1:2000-21:1000。
步骤2)中所述加入钛酸四正丁酯搅拌的时间为10-15min。
步骤2)中所述加入水、氢氟酸进行搅拌混合,搅拌时间为10-15min。
步骤2)中所述水热反应的反应温度为180-190℃,反应时间为8-20h。
步骤1)所述洗涤采用乙醇进行洗涤,步骤2)中所述水热反应之后依次采用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤。
一种核壳结构纳米复合材料,采用上述制备方法制得。
本发明的有益效果:
1)采用溶剂热方法制备核壳结构纳米复合材料,工艺简单;
2)本发明制备方法得到的新型MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料,结合了MIL-101(Fe)和TiO2两种材料各自的特点和优势,形成了一种新型的复合材料,在有机污染物降解、水分解以及CO2还原等光催化具有更大的应用前景。
附图说明
本说明书包括以下附图,所示内容分别是:
图1是实施例1产品复合前后的XRD图,其中(a)是MIL-101(Fe)的XRD图;(b)是TiO2的XRD图;(c)是MIL-101(Fe)/TiO2的XRD图;
图2是实施例1制得产物的SEM图,其中(a)(b)是MIL-101(Fe)的SEM图;(c)(d)是MIL-101(Fe)/TiO2复合材料的SEM图;
图3是实施例1制得的MIL-101(Fe)/TiO2复合材料的TEM图;
图4是实施案例2的SEM图;
图5是实施案例3的SEM图;
图6是实施案例4的SEM图;
图7是对比例1的SEM图;
图8是对比例2的SEM图;
图9是对比例3的SEM图;
图10是对比例4的SEM图;
图11是对比例5的SEM图;
图12是对比例6的SEM图。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述,对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明,目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解,并有助于其实施。
实施例1
将0.5g FeCl3·6H2O和0.14g对苯二甲酸加入到12mL二甲基甲酰胺中,90HZ超声20min,然后将溶液倒入反应釜中,放入烘箱130℃下反应24h。冷却到室温后,用乙醇洗涤,然后离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱中,60℃过夜,得到MIL-101(Fe)八面体,如图2(a)(b)所示,可以看出MIL-101(Fe)八面体结构完整。
将0.0052g MIL-101(Fe),加入到10mL乙醇溶液中,在加入45μL钛酸四正丁酯,搅拌15min后加入700μL去离子水,21μL氢氟酸搅拌15min,转入反应釜中,180℃反应20h。冷却到室温后,先后用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤,离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱,60℃过夜,得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料,如图2(c)(d),可以看出复合材料的八面体形貌,MIL-101(Fe)八面体外面包裹了一层TiO2,如图3所示,可以看出明显的核壳结构,外面是TiO2壳,里面是MIL-101(Fe)核。
实施例2
将0.66g FeCl3·6H2O和0.2g对苯二甲酸加入到15mL二甲基甲酰胺中,90HZ超声15min,然后将溶液倒入反应釜中,放入烘箱110℃下反应20h。冷却到室温后,用乙醇洗涤,然后离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱中,60℃过夜,得到MIL-101(Fe)八面体。
将0.0052g MIL-101(Fe),加入到10mL乙醇溶液中,在加入50μL钛酸四正丁酯,搅拌15min后加入700μL去离子水,21μL氢氟酸搅拌15min,转入反应釜中,180℃反应20h。冷却到室温后,先后用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤,离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱,60℃过夜,得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料,如图4所示。
实施例3
将0.5g FeCl3·6H2O和0.14g对苯二甲酸加入到12mL二甲基甲酰胺中,90HZ超声10min,然后将溶液倒入反应釜中,放入烘箱130℃下反应24h。冷却到室温后,用乙醇洗涤,然后离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱中,60℃过夜,得到MIL-101(Fe)八面体。
将0.0052g MIL-101(Fe),加入到10mL乙醇溶液中,在加入50μL钛酸四正丁酯,搅拌10min后加入700μL去离子水,5μL氢氟酸搅拌10min,转入反应釜中,180℃反应8h。冷却到室温后,先后用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤,离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱,60℃过夜,得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料,如图5所示。
实施例4
将0.5g FeCl3·6H2O和0.14g对苯二甲酸加入到12mL二甲基甲酰胺中,90HZ超声10min,然后将溶液倒入反应釜中,放入烘箱130℃下反应24h。冷却到室温后,用乙醇洗涤,然后离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱中,60℃过夜,得到MIL-101(Fe)八面体。
将0.0052g MIL-101(Fe),加入到10mL乙醇溶液中,在加入45μL钛酸四正丁酯,搅拌15min后加入850μL去离子水,21μL氢氟酸搅拌15min,转入反应釜中,180℃反应20h。冷却到室温后,先后用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤,离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱,60℃过夜,得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料,如图6所示。
对比例1
MIL-101(Fe)八面体的制备方法与实施例1相同,将5mg MIL-101(Fe),加入到10mL乙醇溶液中,在加入10μl钛酸四正丁酯,搅拌15min后加入700μL去离子水,21μL氢氟酸搅拌15min,转入反应釜中,180℃反应20h。冷却到室温后,先后用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤,离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱,60℃过夜,无法得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料。
对比案例2
MIL-101(Fe)八面体的制备与实施案例1相同,将5mg MIL-101(Fe),加入到10mL乙醇溶液中,在加入30μL钛酸四正丁酯,搅拌15min后加入700μL去离子水,21μL氢氟酸搅拌15min,转入反应釜中,180℃反应20h。冷却到室温后,先后用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤,离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱,60℃过夜,无法得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料。
对比案例3
MIL-101(Fe)八面体的制备方法与实施例2相同,将5mg MIL-101(Fe),加入到10mL乙醇溶液中,在加入50μL钛酸四正丁酯,搅拌15min后加入700μL去离子水,转入反应釜中,180℃反应20h。冷却到室温后,先后用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤,离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱,60℃过夜,无法得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料。
对比案例4
MIL-101(Fe)八面体的制备方法与实施例2相同,将5mg MIL-101(Fe),加入到10mL乙醇溶液中,在加入50μL钛酸四正丁酯,搅拌15min后加入700μL去离子水,30μL氢氟酸搅拌15min,转入反应釜中,180℃反应20h。冷却到室温后,先后用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤,离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱,60℃过夜,无法得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料。
对比案例5
MIL-101(Fe)八面体的制备方法与实施例2相同,将5mg MIL-101(Fe),加入到10mL乙醇溶液中,在加入50μL钛酸四正丁酯,搅拌15min后加入700μL去离子水,38.3μL盐酸搅拌15min,转入反应釜中,180℃反应20h。冷却到室温后,先后用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤,离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱,60℃过夜,无法得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料。
对比案例6
MIL-101(Fe)八面体的制备方法与实施例2相同,将5mg MIL-101(Fe),加入到10mL乙醇溶液中,在加入50μL钛酸四正丁酯,搅拌15min后加入700μL去离子水,85μL氢溴酸搅拌15min,转入反应釜中,180℃反应20h。冷却到室温后,先后用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤,离心,反复4次,最后将溶液放入烘箱,60℃过夜,无法得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料。
以上对本发明进行了示例性描述。显然,本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进;或未经改进,将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种核壳结构纳米复合材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
1)将铁盐与对苯二甲酸经溶剂热反应得到MIL-101(Fe)八面体;
2)将步骤1)制备的MIL-101(Fe)八面体加入乙醇溶液中,之后加入钛酸四正丁酯搅拌,然后加入水、氢氟酸经水热反应得到MIL-101(Fe)/TiO2核壳结构纳米复合材料;
步骤1)中所述铁盐为FeCl3·6H2O,溶剂热反应采用的溶剂为二甲基甲酰胺,溶剂热反应得到MIL-101(Fe)八面体的方法是将FeCl3·6H2O与对苯二甲酸加入到二甲基甲酰胺溶液中,之后经超声、加热反应、离心、洗涤和干燥后,制得;
所述超声是在室温下超声10-20min,加热反应的反应温度为110-130℃,反应时间为20-24h;
步骤2)中所述钛酸四正丁酯在乙醇溶液中的浓度为0.013~0.015mol/L;水与乙醇溶液的体积比为7:100-17:200;氢氟酸与乙醇溶液的体积比为1:2000-21:1000;步骤2)中所述水热反应的反应温度为180-190℃,反应时间为8-20h。
2.根据权利要求1所述核壳结构纳米复合材料的制备方法,其特征在于,所述FeCl3·6H2O在二甲基甲酰胺溶液中的摩尔浓度为0.15-0.16mol/L;对苯二甲酸在二甲基甲酰胺溶液中摩尔浓度为0.07-0.08mol/L。
3.根据权利要求1所述核壳结构纳米复合材料的制备方法,其特征在于,步骤2)中所述加入钛酸四正丁酯搅拌的时间为10-15min。
4.根据权利要求1所述核壳结构纳米复合材料的制备方法,其特征在于,步骤2)中所述加入水、氢氟酸进行搅拌混合,搅拌时间为10-15min。
5.根据权利要求1所述核壳结构纳米复合材料的制备方法,其特征在于,步骤1)所述洗涤采用乙醇进行洗涤,步骤2)中所述水热反应之后依次采用二甲基甲酰胺和乙醇洗涤。
6.一种核壳结构纳米复合材料,其特征在于,采用权利要求1-5任一项所述制备方法制得。
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