專利名稱：一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速制備方法，屬無機材料層狀雙金屬氫氧化物的制備及應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
類水滑石化合物是由帶正電荷的氫氧化物層板和層間陰離子構(gòu)成，由于其層板陽離子的可搭配性和層間陰離子基團廣泛的選擇性，類水滑石材料是一種具有較大應(yīng)用潛力的多功能無機材料。鋅鐵類水滑石因其在電、磁、光及催化領(lǐng)域的應(yīng)用前景，而成為一種重要的功能材料，因Zn2+、Fe3+形成氫氧化物的化學(xué)環(huán)境相差很大，其合成較為困難，合成研究也只有少量 報道，例如孟偉青等利用Zn2+、Fe2+為原料，NaOH為沉淀劑的共沉淀法合成了 ZnFein類水滑石；Teruhisa Hongo等利用Zn2+、Fe2+為原料，NaOH為沉淀劑合成了 ZnFem及ZnFe11Fem類水滑石；M. S. Gasser等利用Zn2+、Fe3+為原料，NaOH為沉淀劑合成出ZnFein類水滑石；這些方法雖然制備了 ZnFein類水滑石材料，但還都存在一些工藝弊端，有的工藝參數(shù)不精確，產(chǎn)物純度低，有的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)特征不明顯，很難與其他化學(xué)物質(zhì)匹配，有的工藝方法較復(fù)雜，制備成本高，很難進行工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)的情況，采用均勻沉淀法，以硫酸鋅、硫酸亞鐵為原料，以六次甲基四胺為沉淀劑，制成納米晶鋅鐵類水滑石，以大幅度提高鋅鐵類水滑石的純度和制備效率。技術(shù)方案本發(fā)明使用的化學(xué)物質(zhì)材料為硫酸鋅、硫酸亞鐵、六次甲基四銨、去離子水、無水乙醇、氮氣、氧氣；其組合準(zhǔn)備用量如下以克、毫升、厘米3為計量單位硫酸鋅ZnSO4 7H2012. 94g±0. Olg硫酸亞鐵FeS04 7H204. 17g±0. Olg六次甲基四胺=(CH2)6N416.82g±0.01g去離子水H202000mL±50mL無水乙醇C2H5OH1000mL±50mL氮氣N25000cm3± 50cm3氧氣025000cm3 ± 50cm3制備方法如下(I)精選化學(xué)物質(zhì)材料對制備所需的化學(xué)物質(zhì)材料要進行精選，并進行質(zhì)量純度控制硫酸鋅固態(tài)粉體99.5%
硫酸亞鐵固態(tài)粉體 99%六次甲基四胺固態(tài)粉體99 %去離子水液態(tài)液體 99.7%無水乙醇液態(tài)液體 99.7%
氮氣氣態(tài)氣體99%氧氣氣態(tài)氣體99%(2)配制硫酸鋅水溶液稱取硫酸鋅12. 94g±0. Olg，量取去離子水80mL±0. OlmL，加入燒杯中，用攪拌器攪拌lOmin，使其溶解，成0. 30mol/L的硫酸鋅水溶液；(3)配制硫酸亞鐵水溶液稱取硫酸亞鐵4. 17g±0. Olg，量取去離子水70mL±0. OlmL，加入燒杯中，用攪拌器攪拌lOmin，使其溶解，成0. 10mol/L的硫酸亞鐵水溶液；(4)制備鋅鐵類水滑石鋅鐵類水滑石的制備是在四口燒瓶中進行的，是在加熱、攪拌、水循環(huán)冷凝、水浴、氮氣保護、輸入氧氣的過程下完成的；①將四口燒瓶置于水浴缸上，水浴缸內(nèi)加入水浴水，水浴水要淹沒四口燒瓶體積的 4/5 ；②在四口燒瓶上由左到右依次設(shè)置氣體管、加液漏斗、電動攪拌器、水循環(huán)冷凝管；③將配制的硫酸鋅水溶液與硫酸亞鐵水溶液加入燒杯中混合，然后將六次甲基四胺16. 82g±0. Olg加入混合溶液中，攪拌均勻后由加液漏斗加入四口燒瓶中；④開啟電加熱器，開始加熱，溫度由20°C ±2°C開始升溫，水浴水及四口燒瓶內(nèi)溫度升至60°C ±2°C ；開啟電動攪拌器進行攪拌；開啟水循環(huán)冷凝管進行水循環(huán)冷凝；開啟氮氣管，向四口燒瓶輸入氮氣，氮氣輸入速度18cm3/min，氮氣輸入時間240min± IOmin ；當(dāng)混合溶液的顏色呈淺綠色時，關(guān)閉氮氣，輸入氧氣，氧氣輸入速度18cm3/min，氧氣輸入時間120min±5min,混合溶液變?yōu)榧t褐色；四口燒瓶內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)在加熱、攪拌、水循環(huán)冷凝、輸入氮氣、輸入氧氣過程中，將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下
ZnSO4. IH2O + FeSO4 7H20 + (CH2)6N4
■況H0min > Zn3Fe(OH)81 +(NH4)2SO4 + CH2O + H2O
cvi^STm > Zn6Fe2(OH)16SO4 4H20 i式中=Zn3Fe(OH) 8 :鋅鐵復(fù)合氫氧化物，(NH4) 2S04 :硫酸銨，Zn6Fe2 (OH) 16S04 4H20 鋅鐵類水滑石，CH2O:甲醛；
⑤反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉電加熱器，停止攪拌，停止水循環(huán)冷凝，停止輸入氧氣，使其隨瓶冷卻至20°C ±2°C，冷卻后成渾濁溶液；(5)抽濾將渾濁溶液置于抽濾瓶上部的布氏漏斗中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產(chǎn)物濾餅，溶液抽至濾瓶中；(6)去離子水洗滌、抽濾將產(chǎn)物濾餅置于燒杯中，加入去離子水IOOmL,攪拌洗滌5min ;然后將洗滌液置于抽濾瓶上的布氏漏斗中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產(chǎn)物濾餅，洗滌液抽至濾瓶中；去離子水洗滌、抽濾重復(fù)進行5次；(7)無水乙醇洗滌、抽濾 將產(chǎn)物濾餅置于燒杯中，加入無水乙醇IOOmL,攪拌洗滌5min ;然后將洗滌液置于抽濾瓶上的布氏漏斗中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產(chǎn)物濾餅，洗滌液抽至濾瓶中；無水乙醇洗滌、抽濾重復(fù)進行5次；(8)真空干燥將洗滌、抽濾后的產(chǎn)物濾餅置于石英產(chǎn)物舟中，然后置于真空干燥箱中進行干燥，干燥溫度80°C ±2°C，真空度15Pa，干燥時間720min± lOmin，干燥后成產(chǎn)物晶體顆粒；(9)研磨，過篩將干燥后的產(chǎn)物晶體顆粒用瑪瑙研缽、研棒進行研磨，然后用600目篩網(wǎng)過篩，反復(fù)研磨，反復(fù)過篩，使產(chǎn)物成晶體細粉，即納米晶鋅鐵類水滑石；(10)檢測，化驗，分析，表征對制備的晶體細粉產(chǎn)物的形貌、色澤、化學(xué)物理性能進行檢測、化驗、分析、表征；用Rigaku/max-2500型X射線衍射儀進行晶相鑒定；用JSM-6700F掃描電鏡分析產(chǎn)物形貌；結(jié)論產(chǎn)物為紅褐色晶體，晶體形貌為不規(guī)則六邊形薄片，晶體顆粒直徑彡80nm,產(chǎn)物純度為99% ；(11)產(chǎn)物儲存對制備的紅褐色晶體產(chǎn)物儲存于棕色透明的玻璃容器中，密閉避光保存，置于陰涼潔凈環(huán)境，要防火、防曬、防水、防潮、防酸堿鹽侵蝕，儲存溫度20°C ±2°C，相對濕度(10%。有益效果本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有明顯的先進性，是采用均勻沉淀法，以硫酸鋅、硫酸亞鐵為原料，以六次甲基四胺為沉淀劑，以去離子水為溶劑、洗滌劑，以無水乙醇為洗滌劑，以氮氣為保護氣體，以氧氣為氧化劑，經(jīng)配制溶液、加熱、攪拌、水循環(huán)冷凝、氮氣保護、氧氣氧化進行化合反應(yīng)，經(jīng)洗滌、抽濾、真空干燥、研磨、過篩制得納米晶鋅鐵類水滑石，此制備方法工藝先進嚴(yán)密、制備速度快，數(shù)據(jù)翔實準(zhǔn)確，產(chǎn)物純度好，達99%，產(chǎn)物鋅鐵類水滑石為片狀晶體，晶體顆粒直徑< 80nm，是十分理想的納米晶鋅鐵類水滑石的快速制備方法。


圖I為鋅鐵類水滑石制備狀態(tài)圖
圖2為鋅鐵類水滑石反應(yīng)液加熱溫度與時間坐標(biāo)關(guān)系3為鋅鐵類水滑石產(chǎn)物X-射線衍射強度圖譜圖4為鋅鐵類水滑石產(chǎn)物形貌中所示，附圖標(biāo)記清單如下
I.電源開關(guān)，2.溫度調(diào)控器，3.攪拌調(diào)控器，4.電熱攪拌器，5.顯示屏，6.氮氣瓶，7.氧氣瓶,8.氮氣閥,9.氧氣閥，10.氧氣管，11.氣體管，12.控制閥，13.加液漏斗，14.電動攪拌器，15.出水口，16.出氣口，17.水循環(huán)冷凝管，18.進水口，19.固定架，20.四口燒瓶，21.反應(yīng)溶液，22.水浴缸，23.水浴水，24.指示燈。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明圖I所示，為鋅鐵類水滑石制備狀態(tài)圖，各位置要正確，按量配比，按序操作。制備使用的化學(xué)物質(zhì)的量值，是按預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍確定的，以克、毫升、厘米3為計量單位，當(dāng)工業(yè)化制取時以千克、升、米3為計量單位。制備鋅鐵類水滑石是在四口燒瓶中進行的，是在水浴、加熱、電動攪拌、水循環(huán)冷凝、氮氣保護、輸入氧氣的過程下完成的；四口燒瓶20置于水浴缸22內(nèi)，水浴缸22內(nèi)為水浴水23，水浴水23要淹沒四口燒瓶20體積的4/5，并用固定架19固定；四口燒瓶20內(nèi)為反應(yīng)溶液21 ;在四口燒瓶20上部由左至右依次設(shè)有氣體管11、加液漏斗13及控制閥12、電動攪拌器14、水循環(huán)冷凝管17及出水口 15、出氣口 16、進水口 18 ;水浴缸22的下部為電熱攪拌器4，在電熱攪拌器4上設(shè)有顯示屏5、指示燈24、電源開關(guān)I、溫度調(diào)控器2、攪拌調(diào)控器3 ;在電熱攪拌器4的左部設(shè)有氮氣瓶6、氧氣瓶7，氮氣瓶6連通氣體管11，并由氮氣閥8控制，氧氣瓶7連通氣體管10，并由氧氣閥9控制；氣體管11深入四口燒瓶20內(nèi)，并輸入氮氣和氧氣。圖2所示，為制備鋅鐵類水滑石加熱溫度與時間坐標(biāo)關(guān)系圖，圖中可知，四口燒瓶加熱溫度由20°C開始，即A點，以2°C /min的速度升至60°C ±2°C，S卩B點，在此溫度恒溫、保溫反應(yīng)360min，即B-C區(qū)段，然后停止加熱，使其隨瓶自然冷卻至20°C ±2°C，即D點，力口熱溫度與時間成正比。圖3所示，為鋅鐵類水滑石產(chǎn)物X-射線衍射強度圖譜，譜圖中顯示出鋅鐵類水滑石化合物特有的衍射峰，峰形尖銳，對稱性好，晶相單一，結(jié)晶度高。圖4所示，為鋅鐵類水滑石產(chǎn)物形貌圖，圖中可知，鋅鐵類水滑石為不規(guī)則六邊形片狀晶體，晶體直徑< 80nm。
權(quán)利要求
1.一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速制備方法，其特征在于使用的化學(xué)物質(zhì)材料為硫酸鋅、硫酸亞鐵、六次甲基四胺、去離子水、無水乙醇、氮氣、氧氣；其組合準(zhǔn)備用量如下以克、毫升、厘米3為計量單位 硫酸鋅=ZnSO4 · 7H2012. 94g±0. Olg 硫酸亞鐵=FeSO4 · 7H204. 17g±0. Olg 六次甲基四胺=(CH2)6N4 16.82g±0.01g 去離子水H202000mL±50mL 無水乙醇C2H5OH1000mL± 50mL 氮氣N25000cm3 ± 50cm3 氧氣025000cm3± 50cm3 制備方法如下 (1)精選化學(xué)物質(zhì)材料 對制備所需的化學(xué)物質(zhì)材料要進行精選，并進行質(zhì)量純度控制 硫酸鋅固態(tài)粉體99.5% 硫酸亞鐵固態(tài)粉體99% 六次甲基四胺固態(tài)粉體 99% 去離子水液態(tài)液體99. 7% 無水乙醇液態(tài)液體99.7% 氮氣氣態(tài)氣體99% 氧氣氣態(tài)氣體99% (2)配制硫酸鋅水溶液 稱取硫酸鋅12. 94g±0. Olg，量取去離子水80mL±0. OlmL，加入燒杯中，用攪拌器攪拌lOmin，使其溶解，成0. 30mol/L的硫酸鋅水溶液； (3)配制硫酸亞鐵水溶液 稱取硫酸亞鐵4. 17g±0.01g，量取去離子水70mL±0.01mL，加入燒杯中，用攪拌器攪拌lOmin，使其溶解，成0. IOmoI/L的硫酸亞鐵水溶液； (4)制備鋅鐵類水滑石 鋅鐵類水滑石的制備是在四口燒瓶中進行的，是在加熱、攪拌、水循環(huán)冷凝、水浴、氮氣保護、輸入氧氣的過程下完成的； ①將四口燒瓶置于水浴缸上，水浴缸內(nèi)加入水浴水，水浴水要淹沒四口燒瓶體積的、4/5 ； ②在四口燒瓶上由左到右依次設(shè)置氣體管、加液漏斗、電動攪拌器、水循環(huán)冷凝管； ③將配制的硫酸鋅水溶液與硫酸亞鐵水溶液加入燒杯中混合，然后將六次甲基四胺、16.82g±0. Olg加入混合溶液中，攪拌均勻后由加液漏斗加入四口燒瓶中； ④開啟電加熱器，開始加熱，溫度由20°C±2°C開始升溫，水浴水及四口燒瓶內(nèi)溫度升至 60°C ±2°C ； 開啟電動攪拌器進行攪拌； 開啟水循環(huán)冷凝管進行水循環(huán)冷凝； 開啟氮氣管，向四口燒瓶輸入氮氣，氮氣輸入速度18cm3/min，氮氣輸入時間240min± IOmin ； 當(dāng)混 合溶液的顏色呈淺綠色時，關(guān)閉氮氣，輸入氧氣，氧氣輸入速度18cm3/min，氧氣輸入時間120min±5min，混合溶液變?yōu)榧t褐色； 四口燒瓶內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)在加熱、攪拌、水循環(huán)冷凝、輸入氮氣、輸入氧氣過程中，將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下ZnSO4. 7H20 + FeSO4 · 7H20 + (CH2)6N4N2/2640°ggf — ->Zn3Fe(OH)81 +(NH4)2SO4 + CH2O + H2O92-^gc-n- ->Zn6Fe2(OH)16SO4 · 4H201 式中=Zn3Fe(OH)8 :鋅鐵復(fù)合氫氧化物，(NH4)2SO4 :硫酸銨，Zn6Fe2(OH)16SO4 · 4H20 :鋅鐵類水滑石，CH2O:甲醛； ⑤反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉電加熱器，停止攪拌，停止水循環(huán)冷凝，停止輸入氧氣，使其隨瓶冷卻至20°C ±2°C，冷卻后成渾濁溶液； (5)抽濾 將渾濁溶液置于抽濾瓶上部的布氏漏斗中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產(chǎn)物濾餅，溶液抽至濾瓶中； (6)去離子水洗滌、抽濾 將產(chǎn)物濾餅置于燒杯中，加入去離子水IOOmL，攪拌洗滌5min ;然后將洗滌液置于抽濾瓶上的布氏漏斗中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產(chǎn)物濾餅，洗滌液抽至濾瓶中；去離子水洗滌、抽濾重復(fù)進行5次； (7)無水乙醇洗滌、抽濾 將產(chǎn)物濾餅置于燒杯中，加入無水乙醇IOOmL,攪拌洗滌5min ;然后將洗滌液置于抽濾瓶上的布氏漏斗中，用微孔濾膜進行抽濾，濾膜上留存產(chǎn)物濾餅，洗滌液抽至濾瓶中；無水乙醇洗滌、抽濾重復(fù)進行5次； (8)真空干燥 將洗滌、抽濾后的產(chǎn)物濾餅置于石英產(chǎn)物舟中，然后置于真空干燥箱中進行干燥，干燥溫度80°C ±2°C，真空度15Pa，干燥時間720min± lOmin，干燥后成產(chǎn)物晶體顆粒； (9)研磨，過篩 將干燥后的產(chǎn)物晶體顆粒用瑪瑙研缽、研棒進行研磨，然后用600目篩網(wǎng)過篩，反復(fù)研磨，反復(fù)過篩，使產(chǎn)物成晶體細粉，即納米晶鋅鐵類水滑石； (10)檢測，化驗，分析，表征 對制備的晶體細粉產(chǎn)物的形貌、色澤、化學(xué)成分、化學(xué)物理性能進行檢測、化驗、分析、表征； 用Rigaku/max-2500型X射線衍射儀進行晶相鑒定； 用JSM-6700F掃描電鏡分析產(chǎn)物形貌； 結(jié)論產(chǎn)物為紅褐色晶體，晶體形貌為不規(guī)則六邊形薄片，晶體顆粒直徑< 80nm，產(chǎn)物純度為99% ； (11)產(chǎn)物儲存對制備的紅褐色晶體產(chǎn)物儲存于棕色透明的玻璃容器中，密閉避光保存，置于陰涼潔凈環(huán)境，要防火、防曬、防水、防潮、防酸堿鹽侵蝕，儲存溫度20°C ±2°C，相對濕度彡10%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速制備方法，其特征在于制備鋅鐵類水滑石是在四口燒瓶中進行的，是在水浴、加熱、磁力攪拌、水循環(huán)冷凝、氮氣保護、輸入氧氣的過程下完成的；四口燒瓶(20)置于水浴缸(22)內(nèi)，水浴缸(22)內(nèi)為水浴水(23)，水浴水(23)要淹沒四口燒瓶(20)體積的4/5，并用固定架(19)固定；四口燒瓶(20)內(nèi)為反應(yīng)溶液(21);在四口燒瓶(20)上部由左至右依次設(shè)有氣體管(11)、加液漏斗(13)及控制閥(12)、電動攪拌器(14)、水循環(huán)冷凝管(17)及出水口(15)、出氣口(16)、進水口(18);水浴缸(22)的下部為電熱攪拌器(4)，在電熱攪拌器(4)上設(shè)有顯示屏(5)、指示燈(24)、電源開關(guān)(I)、溫度調(diào)控器(2)、攪拌調(diào)控器(3);在電熱攪拌器(4)的左部設(shè)有氮氣瓶(6)、氧氣瓶(7)，氮氣瓶(6)連通氣體管(11)，并由氮氣閥(8)控制，氧氣瓶(7)連通氣體管(10)，并由氧氣閥(9)控制；氣體管(11)深入四口燒瓶(20)內(nèi)，并輸入氮氣和氧氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速制備方法，其特征在于制備鋅鐵類水滑石加熱溫度與時間坐標(biāo)關(guān)系為加熱溫度由20°C開始，即A點，以2V Mn的速度升至60°C ±2°C，即B點，在此溫度恒溫、保溫反應(yīng)360min，即B-C區(qū)段，然后停止加熱，使其隨瓶自然冷卻至20°C ±2°C，即D點，加熱溫度與時間成正比。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速制備方法，其特征在于均勻沉淀法制備的鋅鐵類水滑石為紅褐色不規(guī)則六邊形片狀晶體，晶體顆粒直徑< 80nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米晶鋅鐵類水滑石的快速制備方法，采用均勻沉淀法，以硫酸鋅、硫酸亞鐵為原料，以六次甲基四胺為沉淀劑，以去離子水為溶劑、洗滌劑，以無水乙醇為洗滌劑，以氮氣為保護氣體，以氧氣為氧化劑，經(jīng)配制溶液、加熱、攪拌、水循環(huán)冷凝、氮氣保護、氧氣氧化下進行化合反應(yīng)，經(jīng)洗滌、抽濾、真空干燥、研磨、過篩，制成納米晶鋅鐵類水滑石，此制備方法工藝先進嚴(yán)密，制備速度快，數(shù)據(jù)翔實準(zhǔn)確，產(chǎn)物純度好，達99％，產(chǎn)物鋅鐵類水滑石為不規(guī)則六邊形片狀晶體，晶體顆粒直徑≤80nm，可與多種化學(xué)物質(zhì)匹配，是十分理想的納米晶鋅鐵類水滑石的快速制備方法。
文檔編號C01G49/00GK102757097SQ201210048610
公開日2012年10月31日 申請日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月22日
發(fā)明者吳旭, 安霞, 宋健玲, 謝鮮梅, 賈瑩 申請人:太原理工大學(xué)