锌铝水滑石的制备及表征

目录Zn-Al类水滑石的制备和表征专业：化学工程与工艺姓名：陈国栋指导老师：刘志远摘要：本实验采用共沉淀法合成插层水滑石（Zn/AlLDHs）,做了对原料金属离子在不同配料比、不同pH值及不同回流比下的多组实验，来分析以上因素对产物结构的影响，最后利用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外（FT-IR）对插层产物的结构进行了表征，来了解锌铝水滑石的可插层性，在不同条件下产物的结构均有差异，根据插层空间的大小来插入不同的物质，通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外（FT-IR）对插层产物的结构的表征来，来确定制备产品的适宜条件，来改善水滑石的性能，以增强它的使用价值和应用范围。关键字：类水滑石，插层，共沉淀PREPARATIONANDCHARACTERIZATIONOFZn-AlHYDROTALCITE-LIKECOMPOUNDSABSTRATZn-ALlayereddoublehydroxides(Zn-ALLFHs)weresuccessfuiiysynthesizedusingtheco-precipitationmethod.InthisexperimentsyntheticparameteerssuchasthePhvalueandtheratiosofrawmaterialswerevariedtomaketheirinfluencesonthestructureofZn-ALLDHs.samplecharacterizationwascarriedoutusingX-raydiffraction(XRD),andFouriertransforminfrard(FT-IR)spectroscopyTounderstandtheZn-Alhydrotalcitecanbeinsertedlayer,underdifferentconditionstheproductstructuresaredifferent,accordingtothesizeofthespaceofintercalationintodifferentsubstances,byXraydiffraction(XRD)andFourier-transforminfrared(FT-IR)ontheintercalationproductstructurecharacterization,todeterminetheproductpreparationsuitableconditions,toimprovetheperformanceofhydrotalcite,toenhanceitsusevalueandapplicationscope.Keyword:HydrotalciteLikeCompound,Insertlayer，co-precipitation1．绪论水滑石（LayerDoubleHydroxides,简称LDHs）是一类典型的阴离子型层状材料，并与其衍生物类水滑石、柱撑水滑石统称为层状双金属氢氧化物，,水滑石类化合物（英文名称：Hydrotalcite-LikeCompounds，简称HTLCs）,其化学组成通式为:[M2+1-xM3+x(OH)2]+x(An-)x/n.mH2O[1]。是一类具有层状结构的新型的无机功能材料。Hochstetter首先于1842年在片岩矿层中发现了天然的水滑石矿；在他的影响下，而后来人们就开始对其结构不断进行研究，最初是在二十世纪初由于发现了LDH对氢加成反应具有催化作用；Allmann等人于二十世纪六十年代末首次确认了LDH的层状结构；并且随着现代分析技术和测试手段的发展，1990年以后，人们对LDHs结构和性能进行不断的研究[2]。由于LDHs具有特殊的层状结构，并且其层间离子具有可交换性，这为我们提供了一种既简单又方便的方法，来取代层间可供阴离子，从而可合成出一系列不同的层状材料，在催化、工业、医药、吸附剂、离子交换剂及功能助剂方面有广阔的应用前景[3]，1.1类水滑石的分类1.1.1染料类插层水滑石对于偶氮类化合物来说，其具有顺反两种几何异构体，且反式比顺式稳定，这两种异构体在一定条件（光照或加热条件）下能相互转化，将其插在水滑石中，会使该物质的颜色变得鲜艳，各种性能也会更加稳定。有这样的优点，故被广泛用于染料。由于染料类插层水滑石具有这样特殊的结构特征，近些年，在处理阴离子废水方面，提供了一个新思路。姚铭[4]等人用不同的方法制备了Zn/AL-甲基橙阴离子水滑石，并且研究了不同产物的阴离子吸附能力，何书珩等[4]人采用共沉淀法制备了Zn/AL-AO7LDHs,他们分析了其结构特征，并与实验结果进行了对比，由于水滑石具有独特的层板堆叠结构特征，层间表面很难再化学反应中得到利用，他们为了深入探索水滑石插层结构的应用，对得到的Zn/AL-AO7LDHs产物又进行了层板剥离实验。对其结构进行了深入的研究。1.1.2生色基团插层水滑石由于类水滑石中具有插层间维持其电荷平衡的并可以用来交换的阴离子，通过这些阴离子之间相互交换，可以在层间插入不同种类的可以改变类水滑石性能和结构阴离子，进而就能制备出一类具有特殊性质的材料，如;光、电、磁等方面的功能材料，李蕾等[5]人利用该材料的可插层性能，研究了一对具有给体-受体性质的发色团香豆素-3-（3-CCA）与9-蒽甲酸（9-ACA）客体，一起插入层状锌铝水滑石主体中，构成一类新型的无机-有机超分子结构体系的功能材料，这种物质通过主体与客体之间的协同作用以及限域空间内客体分子微环境的改变，使客体之间能够使光诱导电子转移和能量传递，进而使得该物质产生了一种特殊的光物理化学作用，这将是一类具有潜在应用价值的层状光储存材料和转化材料。1.1.3医药类插层水滑石由于类水滑石物质具有特殊的可插层性能和层间离子的可交换性能，如：药物卡托普利是一种血管紧张素转换酶抑制剂，它对降低血压具有很好的功能，同时也对心脏、肾脏和血管等也具有独特的保护作用。现在,卡托普利已经不再仅仅被人们当做降压药来使用，还被广泛运用于治疗心血管系统、泌尿系统及内分泌系统等多种疾病，但是，卡托普利的热稳定性不是很好，在比较低温度下就能氧化分解，因为它有这样这样的不足夏盛杰等[6]人采用共沉淀和离子交换的方法将卡托普利插入锌铝水滑石层间，研究了这种新型的药物-无机复合材料的超分子结构组成，，并做了热稳定性以及模拟在胃液和肠胃中的缓释性能，他们通过多组实验的对比，最后得出了改变其性能的最佳方法和条件，也开阔了水滑石作为生物材料无机载体的生活中应用。1.2．类水滑石的性质及合成方法1.2.1Zn-Al类水滑石的性质Zn-Al插层水滑石属于类水滑石化合物（HTLCs）中的一种，是无色层状物质。与类水滑石化合物具有相同的性质，具有碱性、有较强的阴离子交换性能、有较高的吸附性能、很好的催化性能、有特殊的光物理化学作用，有较好的热稳定性和缓释性能，也是一种良好的无机载体材料。1.2.2Zn-AL类水滑石的合成方法类水滑石化合物的制备方法有共沉淀法、水热合成法、离子交换法、焙烧复原法、微波晶化法、成核/晶化隔离法、N2保护合成法等多种方法，其中共沉淀法是研究最早也应用最广泛的合成方法，在本次实验中，就是采用共沉淀法来进行Zn-Al类水滑石的合成。1.2.2.1共沉淀法制备类水滑石共沉淀法，是指在溶液中含有两种或两种以上阳离子，这些阳离子都以均相存在于溶液中，再在该溶液中加入沉淀剂，经过沉淀反应后，可以得到含有各种阳离子的、均一的共沉淀物。[7]共沉淀法也是制备含有两种或多种金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法之一。共沉淀法具有两个显著的优点：一是，只通过溶液中的各种化学反应便可直接得到化学成分均一的纳米粉体材料；二是，制备粒度小而且分布均匀的纳米粉体材料十分容易。[8]在实验中，将配制好的Zn2+及Al3+的溶液按照所研究的配比关系进行混合以后，与氢氧化钠溶液分别滴入反应的三口烧瓶内，经过沉淀反应后便可得到含有Zn2+及Al3+的共沉淀产物。1.2.2.2水热合成法制备类水滑石水热合成法是将混合的盐溶液与混合碱溶液（氢氧化钠与碳酸钠的混合溶液）缓慢滴加在一起并进行快速的混合，得到的浆状液体快速的转移至高压釜内，在高温条件下（一般为100°C）进行较长时间的陈化，再通过过滤、洗涤以及干燥便可得到所需产品。通过水热法合成的类水滑石化合物具有高纯度、优良的分散性能、良好的结晶性能等。1.2.2.3离子交换法制备类水滑石离子交换法是在给定的水滑石内形成新的相，主要于当共沉淀法无法进行时采用，是通过溶液中的新、旧阴离子之间的交换作用而形成的。在碱性介质内存在不稳定的金属离子时或者当阴离子没有可溶性的二价和三价阳离子时便使用该方法进行类水滑石化合物的制备。1.2.2.4成核/晶化隔离法成核/晶化隔离法是指将盐液与碱液两组物质迅速在全返混旋转液膜成核反应器中进行混合[9]，并剧烈搅拌几分钟，然后将该液体在一定温度下进行晶化。采用全返混旋转液膜成核反应器反应器，实现了盐液与碱液的共沉淀反应，通过控制反应器转子的线速度，在（5m·s-1）左右，可使反应物在瞬间充分接触和碰撞，成核反应会在瞬间完成，晶核会同步生长，并能保证在晶化过程中晶体尺寸的均匀性。1.2.2.5N2保护合成法N2保护合成法，是指在合成的时候向反应体系中不断通入N2。来合成水滑石，用N2保护法来合成水滑石通常是考虑到以下两个方面：一是为了防止在合成中一些容易被氧化的物质被空气中的氧气氧化；二是在制备非碳酸根型水滑石时防止空气中的CO2的干扰。这种方法适用于较精细的合成[10]。1.2.2.6微波晶化法微波晶化法，是指在合成中用微波辐射的方法来促进形成良好晶形的水滑石的速度[11]。近年来P.Benito等人已经利用微波辐射法研究了一系列水滑石类化合物，他们利用微波能够均匀的快速升温加热的这种特殊反应环境，得到了让产物粒子快速均匀生长的效果，他们利用微波与水热条件结合的方法来处理材料，并得到了具有一定孔结构的材料。该方法在传统方法的基础上进行优化，这对水滑石材料的制备方面进行了一定的创新。1.3本文立题的目的和意义通过读大量有关水滑石的文献，了解到水滑石的结构、性质及应用，水滑石在现实生活中有很广泛的应用，由于水滑石有特殊的层状结构，即可插层性，在水滑石中可以插入各种物质，可以使该物质的各种性能发生变化，写本文的主要目的是通过实践来进一步对水滑石进行学习和研究，在不条件下，经过对水滑石的制备，得到了制备锌铝水滑石的最佳条件，对水滑石的制备有一定的指导意义。1.4本文研究的内容本文采用采用共沉淀法合成插层水滑石（Zn/AILDHs）,在实验中，做了对原料金属离子在不同配料比、不同pH值、及不同回流时间下的多组实验，来分析以上因素对产物结构的影响，最后利用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外（FT-IR）对插层产物的结构和性能进行了表征，进一步来了解锌铝水滑石的可插层性，通过比较不同条件下产物的结构均的差异，通过X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外（FT-IR）对插层产物的结构的表征，确定制备产品的适宜条件，来改善水滑石的性能。2．实验部分2.1试剂与仪器表1：主要试剂列表主要试剂名称药品纯度生产厂家氢氧化钠（NaOH）分析纯烟台市双双化工有限公司硝酸铝（Al(NO)3·9H2O）分析纯天津市光复精细化工研究所硝酸锌(Zn(NO)2·6H2O)分析纯天津市凯通化学试剂有限公司无水碳酸钠(Na2CO3)分析纯上海市中秦化学试剂有限公司表2：主要仪器列表主要仪器名称仪器型号生产厂家测速电动搅拌器JJ—5型上海艾牧生物科技有限公司数字显热恒温水浴锅GKC型上海波洛实验仪器有限公司电热鼓风干燥箱101—1型北京科伟永兴有限公司傅立叶红外色谱仪NICOLET380Stttdtson公司X射线衍射仪X'PertPRO帕纳科公司2.2溶液的配制（1）用分析天平称去分析纯的硝酸锌(Zn(NO)2·6H2O)2.9749g和分析纯的硝酸铝（Al(NO)3·9H2O）3.75