一种层状复合金属氢氧化物的微波原子经济制备方法 【技术领域】
本发明属于无机非金属功能材料的制备技术领域，特别涉及一种层状复合金属氢氧化物的微波原子经济制备方法。
背景技术
层状复合金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides，简称LDHs)，又叫水滑石，是一种典型的阴离子型层状材料，其化学组成式为[M2+1-xM3+x(OH)2]An-x/n·mH2O，其中，M2+、M3+是金属阳离子，An-是层间阴离子，x为M3+离子的摩尔分数，m为结晶水的数量。LDHs主体层板的元素种类及组成比例、层间客体的种类及数量可以根据需要在较宽范围内调变，从而获得具有特殊结构和性能的材料。LDHs组成和结构的可调变性以及由此所导致的多功能性，使其成为一类极具研究潜力和应用前景的新型材料，广泛应用于催化、吸附、离子交换和功能材料等领域。
制备LDHs的方法主要有共沉淀法、水热合成法、离子交换法和焙烧复原法等。传统方法生产1吨LDHs产品需要副产2吨左右钠盐，而钠盐利用价值不高，浓缩能耗大，一般均进行直接排放，对环境造成了一定程度的污染。同时原料中含有过量的强碱，需用几十倍甚至上百倍的水进行洗涤，对水资源造成了严重浪费。因此，环境友好型制备LDHs的工艺一直是人们追求的目标。
共沉淀法是制备LDHs最常用的方法。此方法以构成LDHs层板的金属离子的混合盐溶液在碱作用下发生共沉淀，其中在金属离子混合溶液中或碱溶液中含有所要合成的层间阴离子基团，沉淀物在一定条件下晶化即可得到目标LDHs。文献(Y.Zhao，F.Li，R.Zhang，D.G.Evans，X.Duan，Preparation of layereddouble-hydroxide nanomaterials with a uniform crystallite size using anew method involving separate nucleation and aging steps，Chem.Mater.，2002，14：4286-4291)报道了以二价和三价金属的可溶性盐与Na2CO3和NaOH发生共沉淀反应制备LDHs的方法，反应使用了过量的Na2CO3，反应过程中生产了大量的钠盐，在反应结束后需用大量的水进行洗涤，不利于节约水资源和环境保护。
水热合成法是以含有构成LDHs层板的金属离子的难溶性氧化物和/或氢氧化物为原料，在高温高压下用水处理而得到LDHs。目前所使用的水热合成法普遍使用Na2CO3或NaHCO3等作为主要原料，产物中混有反应生成的钠盐，需过滤、洗涤除去，对环境造成了危害。文献：Zhi Ping Xu，Guo Qing(Max)Lu，Hydrothermal Synthesis of Layered Double Hydroxides(LDHs)from MixedMgO and Al2O3：LDH Formation Mechanism，Chem.Mater.2005，17：1055-1062报道了以MgO和Al2O3的机械混合物为原料，加入Na2CO3或NaHCO3于110℃制备层间阴离子为CO32-的MgAl-LDHs的方法，产物中存在大量的Na+离子，不可避免用大量水进行洗涤的过程。
离子交换法是当M2+和M3+金属离子在碱性介质中不稳定，或当阴离子An-没有可溶性的盐类，即共沉淀无法进行时可采用的方法。此法是先合成出LDHs前驱体，将所需插入的阴离子与LDHs层间阴离子在一定条件下交换，通过交换可以得到目标LDHs。该法需要先合成LDHs前驱体，因此过程中有副产物盐生成，洗涤过程是不可缺少的步骤，也不属于清洁生产工艺。国际专利PCT/CN2006/001233介绍了一种将含双键的有机阴离子插层的方法，先通过共沉淀法制备出层间为硝酸根的LDHs前驱体，用大量去离子水洗涤过滤后通过离子交换进行组装，得到含双键的有机阴离子插层LDHs。
焙烧复原法是将一定层板组成的LDHs在500℃焙烧一定时间，使样品转变成相应层板金属的复合氧化物LDO，加入到含有某种阴离子的溶液介质中，其结构可以恢复或部分恢复到具有有序层状结构的LDHs。一般而言，焙烧温度在500℃以下，结构的恢复是可能的，当焙烧温度在600℃以上生成具有尖晶石结构的焙烧产物时，则导致结构永久无法恢复。此方法也需要事先合成LDHs前驱体，不能避免副产物的生成和洗涤过程。文献：蒋维；农兰平；赖闻玲；陈泽宇，用焙烧复原法插层组装有机层柱双氢氧化物，化学研究与应用，2004，16(6)：828-830，报道了一种先采用共沉淀法制备出MgAl-LDHs和ZnAl-LDHs前驱体，经过焙烧后得到相应的LDO，然后在十四酸或十八酸溶液中制备十四酸和十八酸插层结构LDHs的方法。在制备前驱体过程中，产生了大量副产物，需用水进行洗涤。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种层状复合金属氢氧化物的清洁制备方法，即一种层状复合金属氢氧化物的微波原子经济制备方法。该方法以金属氢氧化物、铵盐和氨水为原料，在微波反应器中通过原子经济反应制备LDHs。
金属氢氧化物和溶液中的阴离子发生反应，实现从金属氢氧化物到LDHs的沉淀转化，从而得到更加难溶的LDHs沉淀。其反应方程式如下：
(1-x)M2+(OH)2+xM3+(OH)3+x/nAn-+(m-x)H2O→[M2+1-xM3+x(OH)2]An-x/n·mH2O
反应过程使用了铵盐和氨水，降低了反应的温度，使反应条件更加温和，易于控制。反应中使用的铵盐和氨水中的氨在后处理过程中可以回收，反应中使用了金属氢氧化物、阴离子为An-的相应铵盐，不使用NaOH等其它原料，所有原料均参加反应并生成了目标产物，原子经济性为100％，属于典型的原子经济反应。使用微波反应器大大缩短了反应时间，改善了产物粒径。
本发明的具体制备方法如下：
A.将二价金属离子M2+和三价金属离子M3+的氢氧化物，按M2+/M3+摩尔比为2-4的比例进行混合，加入固体总质量0.25-999倍地去离子水，置于微波反应器中；
B.在微波反应器中，加入阴离子为An-的相应铵盐，An-与M3+的摩尔比为1∶n-10∶n，不加氨水或加入反应总体积0.01-0.5倍氨水，反应温度50-200℃，反应0.1-24h后取出固体产物，直接过滤后于50-120℃下进行干燥，得到层间为An-的LDHs。
所述的M2+代表二价金属阳离子Mg2+、Zn2+、Ca2+、Cu2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Cd2+、Be2+中的一种或两种，优选Mg2+、Zn2+、Ca2+、Ni2+中的一种或者两种。M3+代表三价金属阳离子Al3+、Ni3+、Co3+、Fe3+、Mn3+、Cr3+、V3+、Ti3+、In3+、Ga3+中的一种或两种，优选Al3+、Ni3+、Fe3+中的一种或两种。An-是下述酸的阴离子：(1)无机酸阴离子：F-、Cl-、Br-、I-、NO3-、HCO3-、ClO3-、IO3-、H2PO4-、CO32-、SO32-、S2O32-、HPO42-、WO42-、CrO42-、PO43-；(2)有机酸阴离子：包括对苯二甲酸根、己二酸根、丁二酸根、十二烷基磺酸根、对羟基苯甲酸根、苯甲酸根；(3)同多、杂多酸阴离子：包括Mo7O246-、V10O286-、PW11CuO396-、SiW9V3O407-；优选Cl-、NO3-、CO32-、SO32-、PO43-、对苯二甲酸根、丁二酸根、苯甲酸根、Mo7O246-。
所述的层间为An-的LDHs的化学组成式为：
[M2+1-xM3+x(OH)2]An-x/n·mH2O，
其中，M2+代表二价金属阳离子，是：Mg2+、Zn2+、Ca2+、Cu2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Cd2+、Be2+中的一种或两种；
M3+代表三价金属阳离子，是：Al3+、Ni3+、Co3+、Fe3+、Mn3+、Cr3+、V3+、Ti3+、In3+、Ga3+中的一种或两种；
An-为层间阴离子，包括(1)无机阴离子：F-、Cl-、Br-、I-、NO3-、ClO3-、IO3-、H2PO4-、CO32-、SO32-、S2O32-、HPO42-、WO42-、CrO42-或PO43-；(2)有机阴离子：对苯二甲酸根、己二酸根、丁二酸根、十二烷基磺酸根、对羟基苯甲酸根、苯甲酸根；
(3)同多和杂多阴离子：Mo7O246-、V10O286-、PW 11CuO396-、SiW9V3O407-；
x为M3+离子的摩尔分数，其取值范围是0.2≤x≤0.33；
m为结晶水的数量，其取值范围是0≤m≤2；
n为层间阴离子所带电荷数。
本发明的有益效果是原料中的各种原子均参加反应生成了目标产物或水分子，过程中无副产物生成，产物不经过洗涤就可以进行干燥得到纯净产品，大大节约了水资源，保护了环境。使用微波反应器大大缩短了反应时间，改善了产物粒径。
【附图说明】
图1是实施例1所得MgAl-CO3-LDHs的XRD图；
图2是实施例1所得MgAl-CO3-LDHs的FT-IR谱图；
图3是实施例4所得NiFe-对苯二甲酸-LDHs的SEM相片。
【具体实施方式】
实施例1：
步骤A：将Mg(OH)2和Al(OH)3按Mg2+/Al3+摩尔比为3∶1的比例混合，取10g混合物置于90g去离子水中，再加到微波反应器中；
步骤B：向微波反应器中加入1.27g碳酸氢铵和10ml氨水，升温至200℃，反应15min，将得到的产物离心后直接于70℃干燥8小时，得到分子式为Mg6Al2(OH)12CO3·4H2O的LDHs产品，即MgAl-CO3-LDHs。
采用日本岛津公司的XRD-6000型X-射线粉末衍射仪对样品进行晶体结构表征。图1是实施例1所得样品的XRD谱图，从图中可以看出，反映层状结构的003、006和009晶面衍射峰分别出现在2θ＝11.6°，23.3°和34.4°左右处，各特征衍射峰峰形尖耸，基线低平，无杂质峰出现，说明样品晶相单一且具有完整的层状晶体结构。
采用德国Bruker公司Vector22型傅立叶变换红外光谱仪对样品进行定性分析。由实施例1所得样品的傅立叶变换光谱FT-IR谱图，如图2所示，1360cm-1处的强吸收峰可以归属为镁铝碳酸根LDHs层间阴离子CO32-的特征对称伸缩振动吸收峰。从图中还可以看出，无杂质峰的出现。
实施例2：
步骤A：将Zn(OH)2、Mg(OH)2和Al(OH)3按Zn2+∶Mg2+∶Al3+摩尔比为1∶3∶2的比例混合，取15g混合物置于80g去离子水中，再加到微波反应器中；
步骤B：向微波反应器中加入1.27g碳酸氢铵和20ml氨水，升温至200℃，反应25min，将得到的产物离心后直接于70℃干燥8小时，得到分子式为ZnMg3Al2(OH)12CO3·4H2O的LDHs产品。
实施例3：
步骤A：将Ca(OH)2和Al(OH)3按Ca2+∶Al3+摩尔比为3∶1的比例混合，取20g混合物置于80g去离子水中，再加到微波反应器中；
步骤B：向微波反应器中加入1.27g碳酸氢铵和30ml氨水，升温至200℃，反应40min，将得到的产物离心分离，直接于70℃干燥8小时，得到分子式为Ca4Al2(OH)12CO3·4H2O的LDHs产品。
采用日本岛津ICPS-7500型元素分析仪对样品的元素含量进行分析。对实施例3制备的样品进行元素分析表明，产品中Ca∶Al＝3∶1，且产品中不含Na+等杂离子。
实施例4：
步骤A：将Ni(OH)2和Fe(OH)3按Ni2+/Fe3+摩尔比为4∶1的比例混合，取5g混合物置于90g去离子水中，再加到微波反应器中；
步骤B：向微波反应器中加入0.58g对苯二甲酸铵和20ml氨水，升温至160℃，反应6小时，将得到的产物离心后直接于70℃干燥8小时，得到分子式为Ni 8Fe2(OH)20(C8H4O4)·4H2O的LDHs产品，即NiFe-对苯二甲酸-LDHs。
采用日本HITACHI S-3500N型扫描电子显微镜SEM观测样品的形貌，图3是实施例4制备的样品的SEM相片，由图可见，制得的LDHs为六方形片状物质。
实施例5：
步骤A：将Co(OH)2和Ni(OH)3按Co2+∶Ni3+摩尔比为4∶1的比例混合，取2g混合物置于400g去离子水中，再加到微波反应器中；
步骤B：向微波反应器中加入0.73g(NH4)6Mo7O24，升温至150℃，反应1小时，将得到的产物离心分离，直接于70℃干燥8小时，得到分子式为Co24Ni6(OH)60(Mo7O24)·4H2O的LDHs产品。
实施例6：
步骤A：将Mg(OH)2和Fe(OH)3按Mg2+∶Fe3+摩尔比为2∶1的比例混合，取4g混合物置600g去离子水中，再加到微波反应器中；
步骤B：向微波反应器中加入0.58g(NH4)3PO4，升温至150℃，反应8小时，将得到的产物离心分离，直接于70℃干燥8小时，得到分子式为Mg6Fe3(OH)18(PO4)·4H2O的LDHs产品。
实施例7：
步骤A：将Co(OH)2和Ni(OH)3按Zn2+∶Fe3+摩尔比为3∶1的比例混合，取5g混合物置30g去离子水中，再加到微波反应器中；
步骤B：向微波反应器中加入5.6g(NH4)6PW11CuO39，升温至200℃，反应1小时，将得到的产物离心分离，直接于70℃干燥8小时，得到分子式为Co4Ni2(OH)12CO3·4H2O的LDHs产品。