CN114849707A - 一种有机层状双金属硅酸盐 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种有机层状双金属硅酸盐,其化学式为[H2N(CH2)3]4[Siz(MxQy)6O8(OH)2],其中,M为第一过渡金属元素,Q为不同于M的第二过渡金属元素,x为M的原子数,y为Q的原子数,z为Si的原子数,同时x:y满足1:(1/10~10),且(x+y):z满足(1~4):4。本发明能够制备得到有机层状双金属硅酸盐,该有机层状双金属硅酸盐能够在水溶液中自主分散为纳米单片,并能够在有机溶剂中恢复为层状堆叠状态。此外,该有机层状双金属硅酸盐具有改良的酶催化活性,且成本低,合成能耗低。

Description

一种有机层状双金属硅酸盐
技术领域
本发明涉及层状纳米酶材料合成技术领域,具体来讲,涉及一种有机层状双金属硅酸盐。
背景技术
当前,重金属离子已成为对环境和人类健康的主要威胁之一。铅是一种常见的金属,在工业领域广泛使用,环境中的Pb2+离子很容易通过水进入人体。而高浓度的Pb2+离子会影响血红细胞和脑、肾、神经系统功能。因此简单快速识别水环境中的金属离子对保护水生生物和人类健康具有重要意义。由于比色法无需任何先进仪器即可实现快速地视觉检测,因此基于纳米酶的类酶活性进行比色检测非常有效。已有研究表明,可以将纳米酶应用于金属离子检测。
在过去十年中,与天然酶相比,基于纳米材料的人造模拟酶(纳米酶)具有可调节的催化效率,优异的环境稳定性和易于制备等特点,已经受到越来越多的关注。然而,与天然酶相比,纳米酶的催化活性仍然相对较低。与单个纳米材料相比,由两种或多种组分功能组装的纳米材料由于协同催化作用通常表现出增强的催化活性。例如,Au/石墨烯纳米片,Au@Pt和Au@Ag等纳米材料被广泛研究,在生物传感,生物催化和环境等领域中具有广阔的应用前景。其中,由于贵金属优异的催化性能,已经受到了广泛的关注,金属纳米颗粒,金属氧化物以及金属有机骨架等纳米酶已广泛应用于生物化学,环境等各个方面。
发明人表示:与单金属纳米酶相比,双金属纳米酶可以产生显著的协同作用从而增强纳米酶催化性能,但在实际应用中双金属纳米酶仍然受到很大限制,主要问题有:(1)纳米酶催化活性较低,且在使用过程中还存在分散性差等问题;(2)前述用于催化的贵金属价格昂贵;(3)大多数纳米酶通常需要高温高压等条件合成。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如,本发明的目的之一在于在常温常压下制备得到的有机层状双金属硅酸盐。
为了实现上述目的,本发明提供了一种有机层状双金属硅酸盐,所述有机层状双金属硅酸盐的化学式为[H2N(CH2)3]4[Siz(MxQy)6O8(OH)2],其中,M为第一过渡金属元素,Q为不同于M的第二过渡金属元素,x为M的原子数,y为Q的原子数,z为Si的原子数,同时x:y满足1:(1/10~10),且(x+y):z满足(1~4):4。
在本发明的一个示例性实施例中,所述M可为铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡、金、银、铂、钯中的任意一种;所述Q可为铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡、金、银、铂、钯中的任意一种。
在本发明的一个示例性实施例中,所述M和Q均可为非贵金属元素;其中,所述M为铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡中的任意一种;所述Q为铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡中的任意一种。
在本发明的一个示例性实施例中,所述有机层状双金属硅酸盐可能够在水溶液中自主分散为纳米单片,并可能够在有机溶剂中恢复为层状堆叠状态。
在本发明的一个示例性实施例中,所述有机层状双金属硅酸盐可以具有X射线衍射表征在2θ=4.0~5.9°的衍射峰,且该衍射峰对应于有机层状双金属硅酸盐的001晶面。
在本发明的一个示例性实施例中,所述有机层状双金属硅酸盐可以具有-NH2、-CH2、Si-O-Si和-Si-C-、M-O-、以及Q-O-基团。
在本发明的一个示例性实施例中,所述有机层状双金属硅酸盐在水溶液中的粒径为50~100nm。
在本发明的一个示例性实施例中,所述有机层状双金属硅酸盐的Zeta电位值可以在40~90mV范围内。
在本发明的一个示例性实施例中,所述有机层状双金属硅酸盐可由以下双金属溶胶凝胶方法制得,所述双金属溶胶凝胶方法可包括以下步骤:将第一过渡金属元素的氯化物或硝酸盐和第二过渡金属元素的氯化物或硝酸盐加入有机溶剂中,溶解得到混合溶液,其中,第一过渡金属元素与第二过渡金属元素的摩尔比满足1:(1/10~10);向所述混合溶液中滴加3-氨丙基三乙氧基硅烷,形成沉淀浆液,3-氨丙基三乙氧基硅烷的滴加量能够使得混合溶液中的第一过渡金属元素与第二过渡金属元素的总摩尔量与3-氨丙基三乙氧基硅烷中的硅元素的摩尔量之比满足(1~4):4;搅拌至反应结束,分离并清洗干燥。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项:能够制备得到有机层状双金属硅酸盐;该有机层状双金属硅酸盐具有改善的酶催化活性,且成本低,合成能耗低。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述,本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚,其中:
图1a示出了作为对比样品的OFP、OCP以及本发明实施例1的不同比例OFCP的X射线衍射分析;
图1b示出了作为对比样品的OFP、OCP以及本发明实施例1的不同比例OFCP的红外衍射分析图;
图2a示出了本发明实施例1的示例5样品的SEM图;
图2b示出了作为对比样品的OFP的SEM图;
图2c示出了作为对比样品的OCP的SEM图;
图2d示出了本发明实施例1的示例5样品的能量色散光谱元素映射图;
图3a示出了作为对比样品的OCP、OMP以及本发明实施例2的不同比例OMCP的X射线衍射分析图;
图3b示出了作为对比样品的OCP、OMP以及本发明实施例2的不同比例OMCP的红外衍射分析图;
图4a示出了作为对比样品的OMP的SEM图;
图4b示出了作为对比样品的OCP的SEM图;
图4c示出了本发明实施例2的示例3样品的SEM图;
图4d示出了本发明实施例2的示例3样品的能量色散光谱元素映射图。
具体实施方式
在下文中,将结合示例性实施例来详细说明本发明的有机层状双金属硅酸盐。需要说明的是,“第一”、“第二”等仅仅是为了方便描述和便于区分,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的一个示例性实施例中,有机层状双金属硅酸盐的化学式为[H2N(CH2)3]4[Siz(MxQy)6O8(OH)2],其中,M为可选自铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡、金、银、铂、钯中的任意一种过渡金属元素(可称为第一过渡金属元素);Q为不同于M且可选自铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡、金、银、铂、钯中的任意一种过渡金属元素(可称为第二过渡金属元素)。并且,化学式中,x为M的原子数,y为Q的原子数,z为Si的原子数,同时x:y满足1:(1/10~10),且(x+y):z满足(1~4):4。
这里,为了降低成本,M为可选自诸如铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡的非贵金属过渡元素;Q为不同于M且可选自诸如铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡的非贵金属过渡元素。
对于上述的有机层状双金属硅酸盐而言,其可通过以下双金属溶胶凝胶方法制得。所述双金属溶胶凝胶方法由以下步骤实现:
首先,在常压且无需加热(例如,室温)条件下,将第一过渡金属元素M的氯化物或硝酸盐和第二过渡金属元素Q的氯化物或硝酸盐加入诸如无水乙醇或甲醇的有机溶剂中,溶解得到混合溶液。其中,第一过渡金属元素与第二过渡金属元素的摩尔比满足1:(1/10~10)。这里,温度可以为18~30℃。若温度低于18℃,会一定程度降低合成效率;而温度高于30℃,会一定程度导致3-氨丙基三乙氧基硅烷水解过快而使产品纯度变低。其中,3-氨丙基三乙氧基硅烷利用结构中氨基在水中的质子化使材料可均匀分散为纳米单片。此外,为了获得更好的溶解效果,还可在溶解过程中进行搅拌或分散,例如,进行超声分散,超声分散时间可以为2~10min。
随后,在与上述步骤相同的常压且无需加热(例如,18~30℃)条件下,向所述混合溶液中滴加3-氨丙基三乙氧基硅烷,形成沉淀浆液。这里,3-氨丙基三乙氧基硅烷的滴加量能够满足使混合溶液中的第一过渡金属元素与第二过渡金属元素的总摩尔量与3-氨丙基三乙氧基硅烷中的硅元素的摩尔量之比(可简称为金属与硅烷摩尔比)为(1~4):4。当硅的摩尔量与第一与第二过渡金属元素摩尔量之和的比(即,金属与硅烷摩尔比的倒数)小于1:1,会因3-氨丙基三乙氧基硅烷难以水解而不利于获得产品;当硅的摩尔量与第一与第二过渡金属元素摩尔量之和的比大于4:1,会使得3-氨丙基三乙氧基硅烷过量而造成浪费。
搅拌至反应结束,分离并清洗干燥。干燥温度以60℃以下为宜,若干燥温度大于60℃,则可能因温度过高而破坏产品结构。此外,搅拌可通过磁力搅拌方式进行。例如,为了使两种金属盐与3-氨丙基三乙氧基硅烷能够充分反应,搅拌的转速范围可以为600~1000r/min,同时搅拌时间可以为12~20h。当转速小于600r/min、搅拌时间低于12h时,可能因搅拌不够充分而使得金属盐与3-氨丙基三乙氧基硅烷反应不够充分;若能够避免高转速导致的液体飞溅,则转速亦可大于1000r/min,搅拌时间亦可小于12h。反应结束后的分离,可通过离心分离或静置沉降的方式进行,以实现固液分离。清洗可用乙醇清洗三次,以去除可能残余的两种金属盐。其中,金属盐为第一过渡金属元素的氯化物或硝酸盐和第二过渡金属元素的氯化物或硝酸盐。
实施例1
在本发明的另一个示例性实施例中,第一过渡金属元素M选用Fe,第二过渡金属元素选用Cu,形成[H2N(CH2)3]4[Siz(FexCuy)6O8(OH)2],可称为有机层状铁铜双金属硅酸盐,其中,x:y满足1:(1/10~10),且(x+y):z满足(1~4):4。
具体来讲,在制备本示例性实施例的有机层状铁铜双金属硅酸盐可通过以下方法实现。
按照表1的摩尔配比来准备FeCl3·6H2O、CuCl2·2H2O、3-氨丙基三乙氧基硅烷。首先,表1为室温下将不同比例的FeCl3·6H2O和CuCl2·2H2O加入到乙醇中溶解,超声分散2~10min,混合均匀后,向其中逐滴加入3-氨丙基三乙氧基硅烷,形成沉淀浆液。然后,以600~1000r/min的转速在磁力搅拌器搅拌12~20h。反应结束后,将混合物以4000~8000r/min的转速离心5min,并用乙醇清洗两次,去除残余的氯化铁和氯化铜,随后于40℃下烘干,得到示例1-7的样品。
表1示例1-7对应的元素配比
Figure BDA0003611134770000051
Figure BDA0003611134770000061
对合成的不同比例的OFCP进行了一系列表征,包括X射线衍射分析(XRD),红外衍射分析图(FTIR)和扫描电镜(SEM)。
首先,如图1a所示,通过XRD研究了作为对比样品的单金属层状硅酸盐(OFP(含铁不含铜),OCP(含铜不含铁))和不同比例的OFCP的晶体结构。图1a和图1b中,各曲线及其含义为:a.OFP,b.OCP,c.OFCP-1:3(示例3),d.OFCP-1:2(示例5),e.OFCP-2:3(示例1),f.OFCP-1:1(示例4),g.OFCP-3:2(示例7),h.OFCP-2:1(示例2),i.OFCP-3:1(示例6)。
双金属OFCP的XRD图谱与单金属层状硅酸盐具有相似的走势,OFCP在2θ=4.0°-5.9°(d001=1.5-1.8nm)之间具有层状有机黏土结构的典型特征锋;并且随着铁含量的逐渐增加,OFCP的d001面特征峰逐渐偏移到了较低角度,层间距也相应增大。此外,与单金属层状硅酸盐相比,有机层状双金属硅酸盐的峰并没有分裂,表明双金属OFCP是单相,而不是单独的OFP和OCP机械混合。
红外衍射分析图如1b所示,OFCP的红外光谱中,693cm-1为Fe-O特征吸收峰,1627cm-1为-NH2的弯曲振动峰,3054cm-1,2921cm-1和1465cm-1可归因于-CH2的振动峰,1048cm-1和2019cm-1对应于Si-O-Si的不对称伸缩振动峰。在1126cm-1和954cm-1观察到的特征峰分别为-Si-C-和-CN-的振动吸收峰。与单金属层状硅酸盐相比,有机层状双金属硅酸盐除部分特征峰强度较单金属层状硅酸盐有所改变外,层状硅酸盐的主要吸收峰位置没有发生偏移,也并没有出现新的特征吸收峰,表明OFCP与单金属层状硅酸盐的基团保持一致。
通过扫描电镜对层状硅酸盐的微观形貌进行了表征,OFCP及OFP,OCP的SEM图像如图2所示。图2中,图2a、图2b和图2c依次为OFCP-1:2(示例5)、OFP和OCP的SEM图;2d为OFCP-1:2(示例5)中的能量色散光谱元素映射。通过图2可以看出,OFCP具有明显的层状结构。此外,如图2d所示,通过EDS对OFCP进行元素映射分析,结果表明,铁和铜原子作为双金属元素均匀地分布在OFCP的层状结构中。
另外,经检测,示例1-7的OFCP样品均能够在水溶液中自主分散为纳米单片;并且在将示例1-7的OFCP样品捞出后,放置于有机溶剂的情况下,它们能够恢复为层状堆叠状态。此外,经测量,示例1-7的OFCP样品的Zeta电位值在40~90mV范围内。
实施例2
在本发明的另一个示例性实施例中,第一过渡金属元素M选用Mn,第二过渡金属元素选用Cu,形成[H2N(CH2)3]4[Siz(MnxCuy)6O8(OH)2],可称为有机层状锰铜双金属硅酸盐,其中,x:y满足1:(1/7~7),且(x+y):z满足(1~4):4。
具体来讲,在制备本示例性实施例的有机层状锰铜双金属硅酸盐可通过以下方法实现。
按照表2的摩尔配比来准备MnCl2·4H2O、CuCl2·2H2O、3-氨丙基三乙氧基硅烷。首先,室温下将不同比例的MnCl2·4H2O和CuCl2·2H2O加入到乙醇中溶解,超声分散2~10min,混合均匀后,向其中逐滴加入3-氨丙基三乙氧基硅烷,形成沉淀浆液。然后,以600~1000r/min的转速在磁力搅拌器搅拌12~20h。反应结束后,将混合物以4000~8000r/min的转速离心5min,并用乙醇清洗两次,去除残余的氯化锰和氯化铜,随后于40℃下烘干,得到示例1-5的样品。
表2示例1-5对应的元素配比
Figure BDA0003611134770000071
对合成的不同比例的OMCP进行了一系列表征,包括X射线衍射分析(XRD),红外衍射分析图(FTIR)和扫描电镜(SEM)。
首先,如图3a所示,通过XRD研究了作为对比样品的单金属层状硅酸盐(OMP(含锰不含铜),OCP(含铜不含锰))和不同比例的OMCP的晶体结构。图3a中,各曲线及其含义为:a.OCP,b.OMCP-1:7(示例1),c.OMCP-1:3(示例2),d.OMCP-1:1(示例3),e.OMCP-3:1(示例4),f.OMCP-7:1(示例5),g.OMP。
双金属OMCP的XRD图谱与单金属层状硅酸盐具有相似的走势,OMCP在2θ=4.0°-5.9°(d001=1.5-1.8nm)之间具有层状有机黏土结构的典型特征衍射峰;并且随着铁含量的逐渐增加,OMCP的d001面特征衍射峰逐渐偏移到了较低角度,层间距也相应增大。此外,与单金属层状硅酸盐相比,有机层状双金属硅酸盐的峰并没有分裂,表明双金属OMCP是单相,而不是单独的OMP和OCP机械混合。
红外衍射分析图如3b所示,OMCP的红外光谱中,633cm-1为Mn-O特征吸收峰,1627cm-1为-NH2的弯曲振动峰,3054cm-1,2921cm-1和1465cm-1可归因于-CH2的振动峰,1048cm-1对应于Si-O-Si的不对称伸缩振动峰。在1126cm-1和954cm-1观察到的特征峰分别为-Si-C-和-CN-的振动峰。与单金属层状硅酸盐相比,有机层状双金属硅酸盐除部分特征峰强度较单金属层状硅酸盐有所改变外,层状硅酸盐的主要吸收峰位置没有发生偏移,也并没有出现新的特征吸收峰,表明OMCP与单金属层状硅酸盐的基团保持一致。
通过扫描电镜对层状硅酸盐的微观形貌进行了表征,OMCP及OMP,OCP的SEM图像如图4所示。图4中,图4a、图4b和图4c依次为OMP、OCP和OMCP-1:1(示例3)的SEM图;4d为OMCP-1:1(示例3)中的能量色散光谱元素映射。通过图4可以看出,OMCP具有明显的层状结构。此外,如图4d所示,通过EDS对OMCP进行元素映射分析,结果表明,锰和铜原子作为双金属元素均匀地分布在OMCP的表面。
另外,经检测,示例1-5的OMCP样品均能够在水溶液中自主分散为纳米单片;并且在将示例1-5的OMCP样品捞出后,放置于有机溶剂的情况下,它们能够恢复为层状堆叠状态。此外,经测量,示例1-5的OMCP样品的Zeta电位值在40~90mV范围内。
此外,经过多次实验和检测,其它双金属(例如,Co-Cu,Mn-Cu,Co-Ni,Ni-Fe)形成的有机层状双金属硅酸盐也具有类似的层状结构,且双金属元素均匀分布在层架结构中。此外,经过检测,其它双金属(例如,Co-Cu,Mn-Cu,Co-Ni,Ni-Fe)形成的有机层状双金属硅酸盐也能够在水溶液中自主分散为纳米单片;并能够在有机溶剂中恢复为层状堆叠状态。
综上所述,本发明能够制备得到有机层状双金属硅酸盐,该有机层状双金属硅酸盐能够在水溶液中自主分散为纳米单片,并能够在有机溶剂中恢复为层状堆叠状态。此外,该有机层状双金属硅酸盐具有改良的酶催化活性,且成本低,合成能耗低。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明,但是本领域普通技术人员应该清楚,在不脱离权利要求的精神和范围的情况下,可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种有机层状双金属硅酸盐,其特征在于,所述有机层状双金属硅酸盐的化学式为[H2N(CH2)3]4[Siz(MxQy)6O8(OH)2],其中,M为第一过渡金属元素,Q为不同于M的第二过渡金属元素,x为M的原子数,y为Q的原子数,z为Si的原子数,同时x:y满足1:(1/10~10),且(x+y):z满足(1~4):4。
2.根据权利要求1所述的有机层状双金属硅酸盐,其特征在于,所述M为铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡、金、银、铂、钯中的任意一种;所述Q为铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡、金、银、铂、钯中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的有机层状双金属硅酸盐,其特征在于,所述M和Q均为非贵金属元素;其中,所述M为铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡中的任意一种;所述Q为铁、铜、锰、钴、铈、镍、锡中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的有机层状双金属硅酸盐,其特征在于,所述有机层状双金属硅酸盐能够在水溶液中自主分散为纳米单片,并能够在有机溶剂中恢复为层状堆叠状态。
5.根据权利要求1所述的有机层状双金属硅酸盐,其特征在于,所述有机层状双金属硅酸盐具有X射线衍射表征在2θ=4.0~5.9°的衍射峰。
6.根据权利要求5所述的有机层状双金属硅酸盐,其特征在于,所述有机层状双金属硅酸盐具有X射线衍射的衍射峰对应于有机层状双金属硅酸盐的001晶面。
7.根据权利要求1所述的有机层状双金属硅酸盐,其特征在于,所述有机层状双金属硅酸盐具有-NH2、-CH2、Si-O-Si和-Si-C-、M-O-、以及Q-O-基团。
8.根据权利要求1所述的有机层状双金属硅酸盐,其特征在于,所述有机层状双金属硅酸盐在水溶液中的粒径为50~100nm。
9.根据权利要求8所述的有机层状双金属硅酸盐,其特征在于,所述有机层状双金属硅酸盐的Zeta电位值在40~90mV范围内。
10.根据权利要求1所述的有机层状双金属硅酸盐,其特征在于,所述有机层状双金属硅酸盐由以下双金属溶胶凝胶方法制得,所述双金属溶胶凝胶方法包括以下步骤:
将第一过渡金属元素的氯化物或硝酸盐和第二过渡金属元素的氯化物或硝酸盐加入有机溶剂中,溶解得到混合溶液,其中,第一过渡金属元素与第二过渡金属元素的摩尔比满足1:(1/10~10);
向所述混合溶液中滴加3-氨丙基三乙氧基硅烷,形成沉淀浆液,3-氨丙基三乙氧基硅烷的滴加量能够使得混合溶液中的第一过渡金属元素与第二过渡金属元素的总摩尔量与3-氨丙基三乙氧基硅烷中的硅元素的摩尔量之比满足(1~4):4;
搅拌至反应结束,分离并清洗干燥。
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