CN108275689B - 一种高比表面积高岭土纳米材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高比表面积高岭土纳米材料及其制备方法，其特征在于高岭土纳米材料的比表面积可在35.1‑531.0 m2/g调控。其制备方法是以天然块状高岭土为原料，经破碎和沉降分离除去石英等杂质，然后采用有机小分子对高岭土进行插层，进而用酸在不同温度下处理高岭土插层复合物，从而获得具有较高比表面积的高岭土纳米材料。本产品可用于吸附剂、催化剂等生产领域，可增强产品的吸附性能和催化性能。

Description

一种高比表面积高岭土纳米材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高比表面积的黏土矿物材料，尤其是高比表面积高岭土纳米材料及其制备方法。
背景技术
高岭土是一种在自然界中储量较大的无机非金属矿物，广泛应用在陶瓷、造纸、涂料、阻燃材料、催化剂等方面。然而，由于高岭土比表面积较低、吸附活性有限，其应用领域也受到了一定的限制。对于具有层状结构的材料而言，剥离是一种非常有效的方法以提高其比表面积和物理化学性质。层状材料剥离后可得到相应的性能优异的二维材料。因此，在高岭土的剥离方面，科研人员也做了大量的努力。2011年，日本学者Yoshiyuki Kuroda和他的合作者报到了一种“一步”剥离高岭土的方法，并得到了具有一维管状结构的高岭土纳米卷。由于高岭土纳米卷的潜在的应用价值，这种由高岭土向纳米卷的转变吸引了广泛的研究兴趣。然而，这种高岭土纳米卷并非具有单层的管状结构，高岭土片层在卷曲后重新堆叠在一起，所以，不经后处理的高岭土纳米卷的比表面积不超过200 m2/g。近年来，利用高分子在层间原位聚合剥离高岭土的方法被发展起来。通过这种方法可以得到比纯高岭土和高分子性能更加优异的高岭土纳米复合物。例如，Sadok Letaief等利用具有C=C双键的离子液体在高岭土层间进行原位聚合，得到了单片层的高岭土。该方法得到的高岭土经X射线衍射分析，发现其001衍射峰消失，这表明高岭土发生了完全的剥离。但是，利用这种方法剥离高岭土，有大量的有机物残留在高岭土表面，这也在一定程度上限制了这类材料的应用。同时，利用高分子原位聚合剥离的高岭土，由于没有发达的孔道结构，因此其比表面积也没有明显的增加。通过物理方法也可对高岭土进行剥离，得到纳米高岭土。杜艳艳等在其专利中报到了一种插层-磨剥-酸活化的方法，用以制备活性纳米高岭土，最终产品的比表面积达到130.54m2/g。但物理剥离通常会破坏高岭土的晶体结构，导致制备的纳米高岭土品质降低。
高岭土是一种1：1型的层状硅酸盐矿物，其结构由一层铝氧八面体和一层硅氧四面体通过共用氧原子组成。与诸如石墨烯的其它二维材料不同，高岭土层间具有很强的氢键和极性，这使得高岭土的剥离异常困难。仅有为数不多的小分子（如尿素、二甲基亚砜（DMSO）、N-甲基甲酰胺（NMF）、醋酸钾（KAc）等）可以直接进入高岭土层间对其进行插层。当高岭土层间的氢键被破坏，就可以将高岭土剥离。
有报道称硫酸可以选择性的刻蚀埃洛石纳米管内腔的铝氧化物从而增大其比表面积。高岭土与埃洛石具有相似的组成和结构，由此可知硫酸可以选择性的刻蚀高岭土的铝氧八面体，从而破坏高岭土层间的氢键。但是，硫酸分子无法直接进入高岭土层间。用高浓度的硫酸直接处理高岭土会彻底破坏高岭土的层状结构。而硫酸浓度较低时，仅有高岭土外表面会发生刻蚀，同样无法对高岭土进行有效的剥离。所以，直接酸处理对提高高岭土材料的比表面积作用不明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高比表面积的高岭土纳米材料，该产品在吸附、催化等领域具有潜在的应用价值。
本发明的另一目的在于提供一种高岭土纳米材料的制备方法，该方法成本低廉、操作简单，便于工业化生产。
不同于传统的直接酸处理高岭土，本发明提供了一种高岭土纳米材料的制备方法，其特征在于，包含下列步骤：
（1）高岭土原矿经破碎、沉降分离、干燥，获得粒径在5-20μm的高岭土粉末；
（2）上述高岭土粉末经有机小分子插层，制成高岭土插层复合物；
（3）上述高岭土插层复合物用酸在不同温度下反应，产物经水洗、干燥，即得高岭土纳米材料。
具体实施方式
实施例1
选择以内蒙古清水河县的高岭土为原料。首先将150g的高岭土加入1350毫升水中搅拌，搅拌速度为800转/分，搅拌时间为30分钟，制成10%浓度的分散液；再将上述分散液在外切式高速分散机下进一步分散，搅拌速度为1500转/分，分散时间为1小时；再将该分散液静置沉降5分钟，弃去下层石英杂质及粒径大于20微米的高岭土颗粒；上层液体沉降78分钟，得到粒径约为5-20微米的高岭土颗粒，然后在120℃下烘干12小时，其比表面积为19.8m2/g。将90毫升二甲基亚砜与10毫升水混合后，加入10g处理过的高岭土，于80℃下搅拌反应24小时，自然降温后离心分离，离心转速为6000转/分，离心时间为5分钟。产物经无水乙醇洗涤3次，60℃干燥12小时，得到高岭石/二甲基亚砜插层复合物。将2g高岭石/二甲基亚砜插层复合物与20毫升2.5M硫酸混合均匀后，于25℃下反应24小时，自然降温后离心分离，离心转速为8000转/分，离心时间为5分钟。产物经去离子水洗涤3次，无水乙醇洗涤1次，110℃干燥24小时，即可得比表面积为35.1m2/g的高岭土纳米材料。
实施例2
取2g实施例1中制得的高岭石/二甲基亚砜插层复合物与20毫升2.5M硫酸混合均匀后，于50℃下反应24小时，自然降温后离心分离，离心转速为8000转/分，离心时间为5分钟。产物经去离子水洗涤3次，无水乙醇洗涤1次，110℃干燥24小时，即可得比表面积为531.0m2/g的高岭土纳米材料。
实施例3
取2g实施例1中制得的高岭石/二甲基亚砜插层复合物与20毫升2.5M硫酸混合均匀后，于75℃下反应24小时，自然降温后离心分离，离心转速为8000转/分，离心时间为5分钟。产物经去离子水洗涤3次，无水乙醇洗涤1次，110℃干燥24小时，即可得比表面积为380.9m2/g的高岭土纳米材料。
实施例4
取2g实施例1中制得的高岭石/二甲基亚砜插层复合物与20毫升2.5M硫酸混合均匀后，于100℃下反应24小时，自然降温后离心分离，离心转速为8000转/分，离心时间为5分钟。产物经去离子水洗涤3次，无水乙醇洗涤1次，110℃干燥24小时，即可得比表面积为308.3m2/g的高岭土纳米材料。
对比例
采用实施例中获得的5-20微米粒径的高岭土颗粒2g，直接与20毫升2.5M 硫酸混合均匀后，于100℃下搅拌反应24小时，自然降温后离心分离，离心转速为8000转/分，离心时间为5分钟。产物经去离子水洗涤3次，无水乙醇洗涤1次，60℃干燥12小时，即可得比表面积为53.4 m2/g的高岭土材料，这说明不经过有机分子插层，直接用硫酸处理的高岭土比表面积较小。
应用实例
利用本发明研制的高岭土纳米材料，进行CO2吸附实验，并与对比例的高岭土产品做了比较。实验在热重分析仪上进行。实验过程为：取10mg吸附剂（实施例、对比例高岭土）于陶瓷坩埚中，在氮气气氛中于150℃下加热3小时，去除吸附剂表面吸附的水以及其它气体；将温度降至25℃，将气氛换为CO2，吸附时间3小时。实验结果如下:
表格
Figure 692892DEST_PATH_IMAGE001
.CO2吸附实验对比结果
实验项目 CO<sub>2</sub>吸附能力
单位 mg/g
对比例 6.4
实施例1 7.7
实施例2 27.2
实施例3 28.0
实施例4 24.2
CO2吸附实验结果表明，利用本发明研制的高岭土纳米材料对CO2具有更强的吸附能力，这对于CO2的捕集具有重要意义。同时，利用本发明研制的高岭土纳米材料还可以作为其他污染物的吸附剂或催化剂载体，这对高岭土资源的高值化利用具有重要作用。

Claims (3)

1.一种高比表面积的高岭土纳米材料，其特征在于材料的比表面积可在308.3-531.0m2/g 调控；
所述的一种高比表面积的高岭土纳米材料的制备方法由下列步骤组成：
1)块状高岭土加入水在高速分散机中分散制成匀浆；
2)通过沉降分离去除大颗粒的石英杂质；
3)用有机小分子对高岭土进行插层，得到高岭土插层复合物；
4)将上述高岭土插层复合物进行酸处理，然后水洗、干燥，得到比表面积为308.3-531.0m2/g 的高岭土纳米材料产品；
所述的有机小分子为二甲基亚砜、N-甲基甲酰胺、醋酸钾或水合肼；
所使用的酸浓度为 2.5-10mol/L；
在对高岭土插层复合物进行酸处理时，所述的处理温度为 50-100℃。
2. 权利要求 1 所述的一种高比表面积的高岭土纳米材料的制备方法，其特征在于，由下列步骤组成：
1)块状高岭土加入水在高速分散机中分散制成匀浆；
2)通过沉降分离去除大颗粒的石英杂质；
3)用有机小分子对高岭土进行插层，得到高岭土插层复合物；
4)将上述高岭土插层复合物进行酸处理，然后水洗、干燥，得到比表面积为308.3-531.0m2/g 的高岭土纳米材料产品；
所述的有机小分子为二甲基亚砜、N-甲基甲酰胺、醋酸钾或水合肼；
所使用的酸浓度为 2.5-10mol/L；
在对高岭土插层复合物进行酸处理时，所述的处理温度为 50-100℃。
3. 根据权利要求 2 所述的高比表面积的高岭土纳米材料的制备方法，其特征在于，在对高岭土插层复合物进行酸处理时，所述的酸为硫酸、硝酸、盐酸或磷酸。
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