CN108187593A - 一种ZSM-5分子筛包覆FeMn纳米粒子核壳结构材料的制备方法 - Google Patents
一种ZSM-5分子筛包覆FeMn纳米粒子核壳结构材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种ZSM‑5分子筛包覆双金纳米粒子核壳结构材料的制备方法是用有机铁盐、有机锰盐为前驱体,油胺、油酸为溶剂,在惰性气氛下热分解得到FeMn纳米粒子,将其溶于氯仿并加入CTAB的水溶液,蒸干氯仿,加入氨水调节pH在8‑12,在搅拌条件下加入正硅酸乙酯,水解24‑72 h得到FeMn@SiO2材料。将FeMn@SiO2加入到ZSM‑5分子筛合成溶液中,搅拌均匀后转入聚四氟乙烯水热釜中160‑220 oC下晶化24‑96 h得到分子筛包覆FeMn双金属纳米粒子的核壳结构材料。本发明合成过程简单,金属原子利用率较高,核壳结构明显、壳层规则完整、核层粒径均匀且分散性良好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种ZSM-5分子筛包覆FeMn纳米粒子核壳结构材料的制备方法。
背景技术
由于金属与金属之间化学组成与微观结构变化,FeMn纳米粒子具有较强的磁性、耐光性以及良好的催化性能,可广泛应用于电子、传感器、高磁记录材料以及工业催化等方面。但是由于纳米粒子颗粒较小,表面能较大,在一些高温高压的条件下易团聚长大,使纳米粒子的应用受到限制。而分子筛具有规则的形貌,一定的酸性,高的热稳定性,用沸石分子筛包覆FeMn纳米粒子不仅有利于分散稳定双金属纳米材料,而且沸石分子筛可以与双金属纳米粒子起到协同作用。
分子筛包覆金属纳米粒子的方法主要包括后处理方法、一步合成法。后处理方法主要包括离子交换发法、浸渍法等。后处理方法简单易于放大,但是不具备普适性,仅仅对大孔径的分子筛有效,微孔分子筛很难通过后处理方法引入纳米粒子。而一步合成法金属前驱体加入分子筛合成液中水热合成,这种方法操作简单,但是不易实现对纳米粒子成核长大的过程控制,而且金属的原子利用率不高,经济价值低,很难实现工业化。目前,对于分子筛包覆FeMn纳米粒子核壳结构材料的制备,如何克服制备过程复杂,工艺条件要求严格,原子利用率不高的缺点并且精确控制核的组成、尺寸,壳层分子筛的形貌、尺寸、织构参数等参数仍然是面临的主要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合成过程可精确调控、操作简单、易于放大的ZSM-5分子筛包覆FeMn纳米粒子核壳结构材料的制备方法。
本发明提出分子筛包覆双金属纳米粒子核壳结构纳米材料,其核为FeMn双金属纳米粒子,核的粒径可通过油胺与油酸的比例调节,核的组成可由前驱体的组成调控,壳层为分子筛,分子筛的组成可通过分子筛合成溶液的配比来调控,分子筛形貌、织构参数可通过双金属纳米粒子的浓度调控。
本发明提供了一种ZSM-5分子筛包覆FeMn纳米粒子核壳结构材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)FeMn双金属纳米粒子的制备:
将有机铁盐、有机锰盐、油胺、油酸混合搅拌均匀,得到混合液,铁盐锰盐在混合液中的总摩尔浓度为0.1-1mol/L,有机铁盐与有机锰盐的摩尔比为0.05-20:1,油胺与油酸的体积比为0.1-1:1,然后将混合液在惰性气氛下加热至180-350℃并回流1-8h,其中搅拌速度10-50转/分,冷却至室温,加入与混合液等体积的无水乙醇进行沉淀,最后离心分离,得到均一分散的FeMn双金属纳米粒子;
(2)核壳结构的制备:
按FeMn双金属纳米粒子:氯仿:十六烷基三甲基溴化铵水溶液:正硅酸乙酯=0.5-3g:10-60mL:50-150mL:10-30mL,将步骤(1)FeMn双金属纳米粒子溶于氯仿,并向体系中加入浓度为0.1-10mol/L的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的水溶液,接着在60-120℃水浴下蒸干氯仿,最后加入氨水调节pH在8-12,在搅拌条件下缓慢加入正硅酸乙酯,然后反应24-72h,过滤干燥,再经400-600℃焙烧后得到二氧化硅包覆的双金属纳米粒子(FeMn@SiO2)材料;
(3)按FeMn双金属纳米粒子:ZSM-5分子筛合成溶液=0.5-3g:40-80mL,将上述FeMn@SiO2作为前驱体加入到摩尔组成为SiO2:Al:TPAOH(四丙基氢氧化铵):H2O=1:0.05-0.01:0.2:28.5的ZSM-5分子筛合成溶液中,搅拌均匀后转入聚四氟乙烯内衬的水热釜中160-220℃下晶化24-96h,过滤干燥,最后400-600℃焙烧得到ZSM-5分子筛包覆FeMn纳米粒子核壳结构材料。
如上述步骤(1)中有机铁盐有机锰盐为乙酰丙酮铁或油酸铁或羰基铁;有机锰盐为乙酰丙酮锰或油酸锰或羰基锰。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
制备出核壳结构明显、壳层规则完整、核粒径均匀且分散性良好的分子筛包覆双金属纳米粒子的材料。可以调节制备条件实现双金属纳米粒子尺寸、组成可控合成,以及对壳层分子筛的形貌、粒径、织构参数的精确控制,且成本低、操作简单、易于工业放大。
附图说明
图1是本发明按照实施例制备的纳米棒状ZSM-5分子筛包覆双金属纳米粒子的SEM,图1展现出ZSM-5的外观形貌。
图2是本发明按照实施例制备的纳米棒状ZSM-5分子筛包覆双金属纳米粒子的TEM图。图2能够看出2nm双金属FeMn纳米粒子均匀分布在纳米棒状的分子筛骨架内。
具体实施方法
实施例1
FeMn纳米粒子制备:将8.573g油酸铁、0.429g油酸锰、9.1mL油胺、90.9mL油酸在三口烧瓶中搅拌均匀,得盐的总浓度为0.1mol/L,然后将混合液转入三口烧瓶,惰性气氛下加热至180℃并回流1h,其中搅拌速度10转/分,然后移除加热设备自然冷却至室温,加入100mL无水乙醇进行沉淀,最后离心得到均一分散的Fe:Mn=20:1双金属纳米粒子。
核壳结构的制备:将上述FeMn双金属纳米粒子0.5g溶于10mL氯仿,然后加入50mL,0.1mol/L的CTAB水溶液,搅拌均匀后,60℃水浴下蒸干氯仿,加入适量氨水调节pH值在8,然后搅拌条件下缓慢加入10mL正硅酸乙酯,反应24h后,过滤干燥,400℃下焙烧得二氧化硅包覆双金属FeMn纳米粒子(FeMn@SiO2)。并以FeMn@SiO2作为前驱体,加入到40mL组成为SiO2:Al:TPAOH:H2O=1:0.05:0.2:28.5(摩尔比)的分子筛合成液中160℃晶化96h,过滤干燥得400℃下焙烧5h得纳米棒状ZSM-5分子筛包覆的Fe:Mn=20:1的双金属纳米粒子核壳结构材料。
实施例2
FeMn纳米粒子制备:将8.184g油酸铁、0.819g油酸锰、8.3mL油胺、41.7mL油酸在三口烧瓶中搅拌均匀得0.2mol/L的混合液,然后将混合液转入三口烧瓶,惰性气氛下加热至200℃并回流3h,其中搅拌速度18转/分,然后移除加热设备自然冷却至室温,加入50mL无水乙醇进行沉淀,最后离心得到均一分散的Fe:Mn=10:1双金属纳米粒子。
核壳结构的制备:将上述FeMn双金属纳米粒子1g溶于20mL氯仿,然后加入70mL,2mol/L的CTAB水溶液,搅拌均匀后,70℃水浴下蒸干氯仿,加入适量氨水调节pH值在8.5,搅拌条件下缓慢加入15mL正硅酸乙酯,反应36h后,过滤干燥,450℃下焙烧得二氧化硅包覆双金属FeMn纳米粒子材料。并以FeMn@SiO2作为前驱体,加入到50mL组成为SiO2:Al:TPAOH:H2O=1:0.06:0.2:28.5(摩尔比)的分子筛合成液中170℃晶化72h,过滤干燥得450℃下焙烧5h得纳米棒状团成纳米球状ZSM-5分子筛包覆的Fe:Mn=10:1的双金属纳米粒子核壳结构材料。
实施例3
FeMn纳米粒子制备:将2.354g乙酰丙酮铁、0.8439g乙酰丙酮锰、6mL油胺、14mL油酸在三口烧瓶中搅拌均匀,得0.5mol/L的混合液,然后将混合液转入三口烧瓶,惰性气氛下加热至240℃并回流5h,其中搅拌速度25转/分,然后移除加热设备自然冷却至室温,加20mL无水乙醇进行沉淀,最后离心得到均一分散的Fe:Mn=2:1双金属纳米粒子。
核壳结构的制备:将上述FeMn双金属纳米粒子1.5g溶于30mL氯仿,然后加入90mL,4mol/L的CTAB水溶液,搅拌均匀后,80℃水浴下蒸干氯仿,加入适量氨水调节pH值在9,搅拌条件下缓慢加入20mL正硅酸乙酯,反应42h后,过滤干燥,500℃下焙烧得二氧化硅包覆双金属FeMn纳米粒子材料。并以FeMn@SiO2作为前驱体,加入到60mL组成为SiO2:Al:TPAOH:H2O=1:0.07:0.2:28.5(摩尔比)的分子筛合成液中180℃晶化60h,过滤干燥得500℃下焙烧5h得纳米棒状团成纳米蝴蝶结ZSM-5分子筛包覆的Fe:Mn=2:1的双金属FeMn纳米粒子核壳结构材料。
实施例4
FeMn纳米粒子制备:将1.7659g乙酰丙酮铁、1.2658g乙酰丙酮锰、6mL油胺、10mL油酸在三口烧瓶中搅拌均匀得0.6mol/L的混合液,然后将混合液转入三口烧瓶,惰性气氛下加热至280℃并回流6h,其中搅拌速度30转/分,然后移除加热设备自然冷却至室温,加入16mL无水乙醇进行沉淀,最后离心得到均一分散的Fe:Mn=1:1的双金属纳米粒子。
核壳结构的制备:将上述FeMn双金属纳米粒子2g溶于40mL氯仿,然后加入120mL,6mol/L的CTAB水溶液,搅拌均匀后,90℃水浴下蒸干氯仿,加入适量氨水调节pH值在10,搅拌条件下缓慢加入24mL正硅酸乙酯,反应60h后,过滤干燥,550℃下焙烧得二氧化硅包覆双金属FeMn纳米粒子材料。并以FeMn@SiO2作为前驱体,加入到70mL组成为SiO2:Al:
TPAOH:H2O=1:0.08:0.2:28.5(摩尔比)的分子筛合成液中190℃晶化42h,过滤干燥得550℃下焙烧5h得圆柱形ZSM-5分子筛包覆的Fe:Mn=1:1双金属FeMn纳米粒子核壳结构材料。
实施例5
FeMn纳米粒子制备:将0.1784g羰基铁、1.7813g羰基锰、5.5mL油胺、7mL油酸在三口烧瓶中搅拌均匀得0.8mol/L的混合液,然后将混合液转入三口烧瓶,惰性气氛下加热至300℃并回流7h,其中搅拌速度40转/分,然后移除加热设备自然冷却至室温,加入12.5mL无水乙醇进行沉淀,最后离心得到均一分散的Fe:Mn=1:10的双金属纳米粒子。
核壳结构的制备:将上述FeMn双金属纳米粒子2.5g溶于50mL氯仿,然后加入130mL,8mol/L的CTAB水溶液,搅拌均匀后,100℃水浴下蒸干氯仿,加入适量氨水调节pH值在11,搅拌条件下缓慢加入28mL正硅酸乙酯,反应70h后,过滤干燥,450℃下焙烧得二氧化硅包覆双金属FeMn纳米粒子材料。并以FeMn@SiO2作为前驱体,加入到80mL组成为SiO2:Al:TPAOH::H2O=1:0.09:0.2:28.5(摩尔比)的分子筛合成液中200℃晶化36h,过滤干燥得600℃下焙烧5h得纳米棒状团成纳米球状ZSM-5分子筛包覆的Fe:Mn=1:10的双金属FeMn纳米粒子核壳结构材料。
实施例6
FeMn纳米粒子制备:将0.0933g羰基铁、1.8566g羰基锰、5mL油胺、5mL油酸在三口烧瓶中搅拌均匀得1mol/L的混合液,然后将混合液转入三口烧瓶,惰性气氛下加热至350℃并回流8h,其中搅拌速度50转/分,然后移除加热设备自然冷却至室温,加入10mL无水乙醇进行沉淀,最后离心得到均一分散的Fe:Mn=1:20的双金属纳米粒子。
核壳结构的制备:将上述FeMn双金属纳米粒子3g溶于60mL氯仿,然后加入150mL,10mol/L的CTAB水溶液,搅拌均匀后,120℃水浴下蒸干氯仿,加入适量氨水调节pH值在12,搅拌条件下缓慢加入30mL正硅酸乙酯,反应72h后,过滤干燥,600℃下焙烧得二氧化硅包覆双金属FeMn纳米粒子材料。并以FeMn@SiO2作为前驱体,加入到80mL组成为SiO2:Al:TPAOH:H2O=1:0.01:0.2:28.5(摩尔比)的分子筛合成液中220℃晶化24h,过滤干燥得600℃下焙烧5h得纳米棒状团成纳米球状ZSM-5分子筛包覆的Fe:Mn=1:20的双金属FeMn纳米粒子核壳结构材料。
本发明实施例得到的核壳结构的形貌和织构参数列于下表1
由表一可以发现通过合成条件的调变,可以合成不同内核粒径、组成,不同分子筛形貌、不同织构参数的分子筛包覆双金属纳米粒子的核壳结构材料。
Claims (3)
1.一种ZSM-5分子筛包覆FeMn纳米粒子核壳结构材料的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
FeMn双金属纳米粒子的制备:
将有机铁盐、有机锰盐、油胺、油酸混合搅拌均匀,得到混合液,铁盐锰盐在混合液中的总摩尔浓度为0.1-1 mol/L,有机铁盐与有机锰盐的摩尔比为0.05-20:1,油胺与油酸的体积比为0.1-1:1,然后将混合液在惰性气氛下加热至180-350 oC并回流1-8 h,其中搅拌速度10-50转/分,冷却至室温,加入与混合液等体积的无水乙醇进行沉淀,最后离心分离,得到均一分散的FeMn双金属纳米粒子;
(2) 核壳结构的制备:
按FeMn双金属纳米粒子:氯仿:十六烷基三甲基溴化铵水溶液:正硅酸乙酯=0.5-3 g:10-60 mL:50-150 mL:10-30 mL,将步骤(1)FeMn双金属纳米粒子溶于氯仿,并向体系中加入浓度为0.1-10 mol/L的十六烷基三甲基溴化铵的水溶液,接着在60-120 oC水浴下蒸干氯仿,最后加入氨水调节pH在8-12,在搅拌条件下缓慢加入正硅酸乙酯,然后反应24-72 h,过滤干燥,再经400-600 oC焙烧后得到二氧化硅包覆的双金属纳米粒子材料;
(3)按FeMn双金属纳米粒子:ZSM-5分子筛合成溶液=0.5-3 g:40-80 mL,将二氧化硅包覆的双金属纳米粒子作为前驱体加入到摩尔组成为SiO2:Al:四丙基氢氧化铵: H2O=1:0.05-0.01:0.2:28.5的 ZSM-5分子筛合成溶液中,搅拌均匀后转入聚四氟乙烯内衬的水热釜中160-220 oC下晶化24-96 h,过滤干燥,最后400-600 oC焙烧得到ZSM-5分子筛包覆FeMn纳米粒子核壳结构材料。
2.如权利要求1所述的一种ZSM-5分子筛包覆FeMn纳米粒子核壳结构材料的制备方法,其特征在于步骤(1)中有机铁盐有机锰盐为乙酰丙酮铁、油酸铁或羰基铁。
3.如权利要求1所述的一种ZSM-5分子筛包覆FeMn纳米粒子核壳结构材料的制备方法,其特征在于步骤(1)中有机锰盐为乙酰丙酮锰、油酸锰或羰基锰。
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