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水滑石制备方法

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2017-12-21 13:33:00【

 

 

  LDHs主要制备方法是通过盐和碱反应、盐和氧化物反应和离子交换反应制得,基于以上主要方法进行优化改进而衍生出来不同的方法,如诱导水解法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、盐-氧化物法、成核-晶化隔离法等。

 

4.1共沉淀法

 

共沉淀法是合成水滑石常用的方法,是通过混合金属盐溶液与碱金属氢氧化物的反应而得到LDHs,用共沉淀法合成LDHs金属盐可用硝酸盐、硫酸盐、氯化物和碳酸盐等,碱可以用氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等。

 

例如本课题组氨基乙酸阴离子插层水滑石的制备是将氨基乙酸(30mmol)溶解于煮沸的去离子水中(水温约60至80度,未控制)搅拌片刻,用氢氧化钠 (2.3M)调节溶液PH=11。通过共沉淀法将六水硝酸镁(10mmol)和九水硝酸铝(3.3mmol)的水溶液(镁铝分子比为3:1)和氢氧化钠溶液(2.3M)同时滴入到基质溶液中,在滴加的过程中控制PH=11不变。其后进行精化、洗涤和干燥。

 

共沉淀法按照过饱和度可分为低过饱和度法(PLS)及高过饱和度法(PHS)。低过饱和度法是将碱液缓慢加入到盐混合溶液中,通过控制滴加速度来控制pH值,而高过饱和度法是将混合溶液在剧烈搅拌下快速加入到碱液中。

 

一般常用PLS法来制备LDHs,因为用PHS法制备时往往由于搅拌速度跟不上沉淀速度,常会伴有氢氧化物杂相的生成[9]。按照pH值来分,共沉淀法还包括变化pH值共沉淀法和恒定pH值共沉淀法。变化pH值共沉淀法制备手续与PLS法相同,而恒定pH值共沉淀法基本上与PHS法相同,另外,

 

要得到纯净和结晶度良好的水滑石样品,还需注意以下几个方面[10]:M3+/(M2++M3+)要合适(一般0.2-0.34);在制备非碳酸根阴离子LDHs时,要特别注意隔绝空气,一般要在 N2气氛中制备;要严格控制pH值,以避免氢氧化物杂相的生成(pH值过高还会造成 Al3+及其他离子的溶解,而低的pH值会使合成按复杂的路线进行,并且合成不完全);

 

 

 

 

 

进行晶化后处理,为得到结晶度良好的产品,在共沉淀发生后,必须经过一段时间的晶化。晶化过程可是静态的,也可以是动态的,必要时加压晶化。水滑石晶化过程研究表明:将沉淀步骤所得浆液置于高压釜中,在较高温度下水热静态晶化比在常压一定温度下搅拌晶化所得水滑石晶形较好,晶粒较大,晶化时间相对较短。

 

用共沉淀法制备LDHs的主要优点是适用范围广,几乎所有的M2+和M3+的LDHs都可用共沉淀法制备,对于同一种M2+和M3+体系, 只要调整M2+和M3+的原料比,就可制备一系列[M2+]/[M3+)]比值不同的LDHs。对于同一种 M2+和M3+体系,可通过选择原料阴离子的不同,制备一系列金属离子相同而阴离子不同的LDHs。用共沉淀法可合成二元类、三元类、四元类和五元类LDHs,只有当金属离子在碱性介质中不稳定或当盐类不可溶时,共沉淀法才无法使用。

 

 

 

4.2焙烧还原法

 

焙烧还原法制备LDHs基本原理是先利用各种方法如共沉淀法制备前体水滑石,其后在适当的温度下进行煅烧(500度),将焙烧好的样品至于含有预插层阴离子的体系中反应一段时间,经过适当的精化干燥即可得到目的阴离子插层水滑石,其结构与用共沉淀法制备的结构相同(由于水滑石的记忆效应),此方法能制备阴离子不同但晶体结构与初始结构相同的水滑石。

在用焙烧还原法制备 水滑石时,应该注意前体水滑石的焙烧温度,一般按前体组分的不同,选择合适的焙烧温度,就能保持原来的晶体结构(一般而言,焙烧温度在 500度以内结构重建是可能的)[11,12]。 另外利用此方法可制备不能由普通方法(如共沉淀法)制备的水滑石,拓宽了水滑石合成的思路与范围。

 

 

 

4.3离子交换法

 

离子交换法的基本原理是利用常见无机或有机阴离子制备前体水滑石,然后用需要的阴离子与水滑石中原有阴离子交换,得到所需的LDHs[ 13,14 ],此法是共沉淀法的一种补充,当某些 LDHs不能直接用共沉淀法制备时,可尝试用此法。在使用此方法时应该注意以下方面:一般不能用大体积无机阴离子去交换小体积无机阴离子。

 

一般要先用共沉淀法制备大体积有机阴离子的水滑石前体,然后用大体积无机阴离子用离子交换法去取代有机阴离子而制得大体积无机阴离子水滑石(Drezdzon在研究中, 先用共沉淀法制备了对苯二甲酸根阴离子的水滑石,然后在微酸性条件下分别用含N aVO3或 Na2MoO4.H2O的溶液来进行置换反应,得到Mg12Al6(OH)36(V10O28)xH2O或Mg12Al6(OH)36(Mo7O24)xH2OLDHs);一般不能用交换能力低的阴离子去取代交换能力高的阴离子,常见无机阴离子可被交换的顺序为NO3->Cll->SO42->CO32-,即 NO3-最易被其他阴离子所交换,而CO32-通常只是交换其他离子,一般来说,阴离子的电荷越高,半径越小,则交换能力越强;水滑石本身的交换能力也有差异。

 

水滑石的组成对离子交换反应也产生一定影响,如镁铝水滑石和锌铝水滑石通常易于进行离子交换,而镍铝水滑石则往往较难。一般来说,层间结合水较多有利于交换,表面结合水较多不利于交换;溶剂对离子交换能力也有影响,有的溶剂能使水滑石层发生溶涨(即所谓的剥层),为其进行离子交换提供可能。

 

用离子交换法是合成具有较大阴离子基团的LDHs的重要方法,而且通过控制离子交换的反应条件,不仅可以保持水滑石原有的晶相结构,还可以对层间阴离子的种类和数量进行设计和组装,但离子交换法也有一些缺点,如制备水滑石种类受到限制,制备时间较长。

 

4.4水热法

 

水热法是将共沉淀得到的沉淀与母液置于反应釜中,密封后在一定温度下进行不同时间的静态处理来得到LDHs(如本文共沉淀中氨基乙酸插层水滑石的制备)。用水热法制备的LDHs的主要特征是具有明显的层状结构,晶相结构完整,结晶度高。

 

 

 

4.5诱导水解法

 

诱导水解法合成LDHs基本过程如:首先,在一定pH值下制备三价金属阳离子的氢氧化物沉淀,在该pH值下,将制得的氢氧化物悬浊液加入相同pH值的二价金属离子的盐溶液中,使二价金属阳离子诱导水解形成双金属氢氧化物沉淀,二价金属阳离子诱导水解会使pH值降低,所以在反应过程中要不断滴加碱液,反应直至pH值不再变化为止, 就得到LDHs。Paulhiac等人应用此方法合成了些水滑石,说明了此法是一种简单的固-液反应,通过降低ZnO悬浮液的含量和CrCl3的加入速度或者延长陈化时间,可在一定程度上改善合成LDHs的结晶度[15]。该方法也存在缺点,用该法只能制备几种LDHs,如 ZnCr-LDHs、CuCr-LDHs和ZnAl-LDHs,而ZnFe-LDHs、CuAl-LDHs、CuFe-LDHs和MgCr-LDHs等都不能用该法制备。对有些LDHs如ZnAl-LDHs,用该法能制备Zn和Al摩尔比不同的ZnAl-LDHs,但对于一些LDH,如ZnCr-LDHs,用该法制备时只能制得Zn和Cr的摩尔比为2的ZnCr-LDHs,其他比例的ZnCr-LDHs不能制得,另外,该法制备的LDHs一般不纯,如制备的ZnCr-LDHs一般含ZnO固体 [16,17]

 

4.6成核-晶化隔离法

 

共沉淀法制备LDHs虽然是制备水滑石的常用方法,但由于沉淀粒子是渐次产生,从第一个粒子的形成到最后一个粒子的产生其时间相差很大,必然导致粒子大小不均。为了解决这个问题,提出了将成核和晶化分开的方法,即将M2+和M3+盐混合液和混合碱液快速放在旋转液膜反应器中,使反应物瞬时充分接触、碰撞(成核反应瞬间完成,晶核同步生长),然后把得到的浆液迅速放入高压釜中,经过晶化、过滤、洗涤和干燥可制备得到LDHs。成核-晶化法尤其适用于制备均匀、窄粒度分布的LDHs,已用于工业化生产[18]。该法的突出优点在于克服了一般方法所得产物粒径不均一的缺点,保证了晶化过程中晶粒尺寸的均匀性,另外,操作简单、反应时间短且易于工业化。

 

 

 

 

 

 

 

 

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