专利名称：一种纳米晶锌铁类水滑石的快速制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米晶锌铁类水滑石的快速制备方法，属无机材料层状双金属氢氧化物的制备及应用的技术领域。
背景技术：
类水滑石化合物是由带正电荷的氢氧化物层板和层间阴离子构成，由于其层板阳离子的可搭配性和层间阴离子基团广泛的选择性，类水滑石材料是一种具有较大应用潜力的多功能无机材料。锌铁类水滑石因其在电、磁、光及催化领域的应用前景，而成为一种重要的功能材料，因Zn2+、Fe3+形成氢氧化物的化学环境相差很大，其合成较为困难，合成研究也只有少量 报道，例如孟伟青等利用Zn2+、Fe2+为原料，NaOH为沉淀剂的共沉淀法合成了 ZnFein类水滑石；Teruhisa Hongo等利用Zn2+、Fe2+为原料，NaOH为沉淀剂合成了 ZnFem及ZnFe11Fem类水滑石；M. S. Gasser等利用Zn2+、Fe3+为原料，NaOH为沉淀剂合成出ZnFein类水滑石；这些方法虽然制备了 ZnFein类水滑石材料，但还都存在一些工艺弊端，有的工艺参数不精确，产物纯度低，有的产物结构特征不明显，很难与其他化学物质匹配，有的工艺方法较复杂，制备成本高，很难进行工业化生产。
发明内容
发明目的本发明的目的是针对背景技术的情况，采用均匀沉淀法，以硫酸锌、硫酸亚铁为原料，以六次甲基四胺为沉淀剂，制成纳米晶锌铁类水滑石，以大幅度提高锌铁类水滑石的纯度和制备效率。技术方案本发明使用的化学物质材料为硫酸锌、硫酸亚铁、六次甲基四铵、去离子水、无水乙醇、氮气、氧气；其组合准备用量如下以克、毫升、厘米3为计量单位硫酸锌ZnSO4 7H2012. 94g±0. Olg硫酸亚铁FeS04 7H204. 17g±0. Olg六次甲基四胺=(CH2)6N416.82g±0.01g去离子水H202000mL±50mL无水乙醇C2H5OH1000mL±50mL氮气N25000cm3± 50cm3氧气025000cm3 ± 50cm3制备方法如下(I)精选化学物质材料对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制硫酸锌固态粉体99.5%
硫酸亚铁固态粉体 99%六次甲基四胺固态粉体99 %去离子水液态液体 99.7%无水乙醇液态液体 99.7%
氮气气态气体99%氧气气态气体99%(2)配制硫酸锌水溶液称取硫酸锌12. 94g±0. Olg，量取去离子水80mL±0. OlmL，加入烧杯中，用搅拌器搅拌lOmin，使其溶解，成0. 30mol/L的硫酸锌水溶液；(3)配制硫酸亚铁水溶液称取硫酸亚铁4. 17g±0. Olg，量取去离子水70mL±0. OlmL，加入烧杯中，用搅拌器搅拌lOmin，使其溶解，成0. 10mol/L的硫酸亚铁水溶液；(4)制备锌铁类水滑石锌铁类水滑石的制备是在四口烧瓶中进行的，是在加热、搅拌、水循环冷凝、水浴、氮气保护、输入氧气的过程下完成的；①将四口烧瓶置于水浴缸上，水浴缸内加入水浴水，水浴水要淹没四口烧瓶体积的 4/5 ；②在四口烧瓶上由左到右依次设置气体管、加液漏斗、电动搅拌器、水循环冷凝管；③将配制的硫酸锌水溶液与硫酸亚铁水溶液加入烧杯中混合，然后将六次甲基四胺16. 82g±0. Olg加入混合溶液中，搅拌均匀后由加液漏斗加入四口烧瓶中；④开启电加热器，开始加热，温度由20°C ±2°C开始升温，水浴水及四口烧瓶内温度升至60°C ±2°C ；开启电动搅拌器进行搅拌；开启水循环冷凝管进行水循环冷凝；开启氮气管，向四口烧瓶输入氮气，氮气输入速度18cm3/min，氮气输入时间240min± IOmin ；当混合溶液的颜色呈浅绿色时，关闭氮气，输入氧气，氧气输入速度18cm3/min，氧气输入时间120min±5min,混合溶液变为红褐色；四口烧瓶内的化学物质在加热、搅拌、水循环冷凝、输入氮气、输入氧气过程中，将发生化学反应，反应方程式如下
ZnSO4. IH2O + FeSO4 7H20 + (CH2)6N4
■况H0min > Zn3Fe(OH)81 +(NH4)2SO4 + CH2O + H2O
cvi^STm > Zn6Fe2(OH)16SO4 4H20 i式中=Zn3Fe(OH) 8 :锌铁复合氢氧化物，(NH4) 2S04 :硫酸铵，Zn6Fe2 (OH) 16S04 4H20 锌铁类水滑石，CH2O:甲醛；
⑤反应结束后，关闭电加热器，停止搅拌，停止水循环冷凝，停止输入氧气，使其随瓶冷却至20°C ±2°C，冷却后成浑浊溶液；(5)抽滤将浑浊溶液置于抽滤瓶上部的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，溶液抽至滤瓶中；(6)去离子水洗涤、抽滤将产物滤饼置于烧杯中，加入去离子水IOOmL,搅拌洗涤5min ;然后将洗涤液置于抽滤瓶上的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，洗涤液抽至滤瓶中；去离子水洗涤、抽滤重复进行5次；(7)无水乙醇洗涤、抽滤 将产物滤饼置于烧杯中，加入无水乙醇IOOmL,搅拌洗涤5min ;然后将洗涤液置于抽滤瓶上的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，洗涤液抽至滤瓶中；无水乙醇洗涤、抽滤重复进行5次；(8)真空干燥将洗涤、抽滤后的产物滤饼置于石英产物舟中，然后置于真空干燥箱中进行干燥，干燥温度80°C ±2°C，真空度15Pa，干燥时间720min± lOmin，干燥后成产物晶体颗粒；(9)研磨，过筛将干燥后的产物晶体颗粒用玛瑙研钵、研棒进行研磨，然后用600目筛网过筛，反复研磨，反复过筛，使产物成晶体细粉，即纳米晶锌铁类水滑石；(10)检测，化验，分析，表征对制备的晶体细粉产物的形貌、色泽、化学物理性能进行检测、化验、分析、表征；用Rigaku/max-2500型X射线衍射仪进行晶相鉴定；用JSM-6700F扫描电镜分析产物形貌；结论产物为红褐色晶体，晶体形貌为不规则六边形薄片，晶体颗粒直径彡80nm,产物纯度为99% ；(11)产物储存对制备的红褐色晶体产物储存于棕色透明的玻璃容器中，密闭避光保存，置于阴凉洁净环境，要防火、防晒、防水、防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度20°C ±2°C，相对湿度(10%。有益效果本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是采用均匀沉淀法，以硫酸锌、硫酸亚铁为原料，以六次甲基四胺为沉淀剂，以去离子水为溶剂、洗涤剂，以无水乙醇为洗涤剂，以氮气为保护气体，以氧气为氧化剂，经配制溶液、加热、搅拌、水循环冷凝、氮气保护、氧气氧化进行化合反应，经洗涤、抽滤、真空干燥、研磨、过筛制得纳米晶锌铁类水滑石，此制备方法工艺先进严密、制备速度快，数据翔实准确，产物纯度好，达99%，产物锌铁类水滑石为片状晶体，晶体颗粒直径< 80nm，是十分理想的纳米晶锌铁类水滑石的快速制备方法。
图I为锌铁类水滑石制备状态图
图2为锌铁类水滑石反应液加热温度与时间坐标关系3为锌铁类水滑石产物X-射线衍射强度图谱图4为锌铁类水滑石产物形貌中所示，附图标记清单如下
I.电源开关，2.温度调控器，3.搅拌调控器，4.电热搅拌器，5.显示屏，6.氮气瓶，7.氧气瓶,8.氮气阀,9.氧气阀，10.氧气管，11.气体管，12.控制阀，13.加液漏斗，14.电动搅拌器，15.出水口，16.出气口，17.水循环冷凝管，18.进水口，19.固定架，20.四口烧瓶，21.反应溶液，22.水浴缸，23.水浴水，24.指示灯。
具体实施例方式以下结合附图对本发明做进一步说明图I所示，为锌铁类水滑石制备状态图，各位置要正确，按量配比，按序操作。制备使用的化学物质的量值，是按预先设置的数值范围确定的，以克、毫升、厘米3为计量单位，当工业化制取时以千克、升、米3为计量单位。制备锌铁类水滑石是在四口烧瓶中进行的，是在水浴、加热、电动搅拌、水循环冷凝、氮气保护、输入氧气的过程下完成的；四口烧瓶20置于水浴缸22内，水浴缸22内为水浴水23，水浴水23要淹没四口烧瓶20体积的4/5，并用固定架19固定；四口烧瓶20内为反应溶液21 ;在四口烧瓶20上部由左至右依次设有气体管11、加液漏斗13及控制阀12、电动搅拌器14、水循环冷凝管17及出水口 15、出气口 16、进水口 18 ;水浴缸22的下部为电热搅拌器4，在电热搅拌器4上设有显示屏5、指示灯24、电源开关I、温度调控器2、搅拌调控器3 ;在电热搅拌器4的左部设有氮气瓶6、氧气瓶7，氮气瓶6连通气体管11，并由氮气阀8控制，氧气瓶7连通气体管10，并由氧气阀9控制；气体管11深入四口烧瓶20内，并输入氮气和氧气。图2所示，为制备锌铁类水滑石加热温度与时间坐标关系图，图中可知，四口烧瓶加热温度由20°C开始，即A点，以2°C /min的速度升至60°C ±2°C，S卩B点，在此温度恒温、保温反应360min，即B-C区段，然后停止加热，使其随瓶自然冷却至20°C ±2°C，即D点，力口热温度与时间成正比。图3所示，为锌铁类水滑石产物X-射线衍射强度图谱，谱图中显示出锌铁类水滑石化合物特有的衍射峰，峰形尖锐，对称性好，晶相单一，结晶度高。图4所示，为锌铁类水滑石产物形貌图，图中可知，锌铁类水滑石为不规则六边形片状晶体，晶体直径< 80nm。
权利要求
1.一种纳米晶锌铁类水滑石的快速制备方法，其特征在于使用的化学物质材料为硫酸锌、硫酸亚铁、六次甲基四胺、去离子水、无水乙醇、氮气、氧气；其组合准备用量如下以克、毫升、厘米3为计量单位 硫酸锌=ZnSO4 · 7H2012. 94g±0. Olg 硫酸亚铁=FeSO4 · 7H204. 17g±0. Olg 六次甲基四胺=(CH2)6N4 16.82g±0.01g 去离子水H202000mL±50mL 无水乙醇C2H5OH1000mL± 50mL 氮气N25000cm3 ± 50cm3 氧气025000cm3± 50cm3 制备方法如下 (1)精选化学物质材料 对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制 硫酸锌固态粉体99.5% 硫酸亚铁固态粉体99% 六次甲基四胺固态粉体 99% 去离子水液态液体99. 7% 无水乙醇液态液体99.7% 氮气气态气体99% 氧气气态气体99% (2)配制硫酸锌水溶液 称取硫酸锌12. 94g±0. Olg，量取去离子水80mL±0. OlmL，加入烧杯中，用搅拌器搅拌lOmin，使其溶解，成0. 30mol/L的硫酸锌水溶液； (3)配制硫酸亚铁水溶液 称取硫酸亚铁4. 17g±0.01g，量取去离子水70mL±0.01mL，加入烧杯中，用搅拌器搅拌lOmin，使其溶解，成0. IOmoI/L的硫酸亚铁水溶液； (4)制备锌铁类水滑石 锌铁类水滑石的制备是在四口烧瓶中进行的，是在加热、搅拌、水循环冷凝、水浴、氮气保护、输入氧气的过程下完成的； ①将四口烧瓶置于水浴缸上，水浴缸内加入水浴水，水浴水要淹没四口烧瓶体积的、4/5 ； ②在四口烧瓶上由左到右依次设置气体管、加液漏斗、电动搅拌器、水循环冷凝管； ③将配制的硫酸锌水溶液与硫酸亚铁水溶液加入烧杯中混合，然后将六次甲基四胺、16.82g±0. Olg加入混合溶液中，搅拌均匀后由加液漏斗加入四口烧瓶中； ④开启电加热器，开始加热，温度由20°C±2°C开始升温，水浴水及四口烧瓶内温度升至 60°C ±2°C ； 开启电动搅拌器进行搅拌； 开启水循环冷凝管进行水循环冷凝； 开启氮气管，向四口烧瓶输入氮气，氮气输入速度18cm3/min，氮气输入时间240min± IOmin ； 当混 合溶液的颜色呈浅绿色时，关闭氮气，输入氧气，氧气输入速度18cm3/min，氧气输入时间120min±5min，混合溶液变为红褐色； 四口烧瓶内的化学物质在加热、搅拌、水循环冷凝、输入氮气、输入氧气过程中，将发生化学反应，反应方程式如下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 :锌铁复合氢氧化物，(NH4)2SO4 :硫酸铵，Zn6Fe2(OH)16SO4 · 4H20 :锌铁类水滑石，CH2O:甲醛； ⑤反应结束后，关闭电加热器，停止搅拌，停止水循环冷凝，停止输入氧气，使其随瓶冷却至20°C ±2°C，冷却后成浑浊溶液； (5)抽滤 将浑浊溶液置于抽滤瓶上部的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，溶液抽至滤瓶中； (6)去离子水洗涤、抽滤 将产物滤饼置于烧杯中，加入去离子水IOOmL，搅拌洗涤5min ;然后将洗涤液置于抽滤瓶上的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，洗涤液抽至滤瓶中；去离子水洗涤、抽滤重复进行5次； (7)无水乙醇洗涤、抽滤 将产物滤饼置于烧杯中，加入无水乙醇IOOmL,搅拌洗涤5min ;然后将洗涤液置于抽滤瓶上的布氏漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，滤膜上留存产物滤饼，洗涤液抽至滤瓶中；无水乙醇洗涤、抽滤重复进行5次； (8)真空干燥 将洗涤、抽滤后的产物滤饼置于石英产物舟中，然后置于真空干燥箱中进行干燥，干燥温度80°C ±2°C，真空度15Pa，干燥时间720min± lOmin，干燥后成产物晶体颗粒； (9)研磨，过筛 将干燥后的产物晶体颗粒用玛瑙研钵、研棒进行研磨，然后用600目筛网过筛，反复研磨，反复过筛，使产物成晶体细粉，即纳米晶锌铁类水滑石； (10)检测，化验，分析，表征 对制备的晶体细粉产物的形貌、色泽、化学成分、化学物理性能进行检测、化验、分析、表征； 用Rigaku/max-2500型X射线衍射仪进行晶相鉴定； 用JSM-6700F扫描电镜分析产物形貌； 结论产物为红褐色晶体，晶体形貌为不规则六边形薄片，晶体颗粒直径< 80nm，产物纯度为99% ； (11)产物储存对制备的红褐色晶体产物储存于棕色透明的玻璃容器中，密闭避光保存，置于阴凉洁净环境，要防火、防晒、防水、防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度20°C ±2°C，相对湿度彡10%。
2.根据权利要求I所述的一种纳米晶锌铁类水滑石的快速制备方法，其特征在于制备锌铁类水滑石是在四口烧瓶中进行的，是在水浴、加热、磁力搅拌、水循环冷凝、氮气保护、输入氧气的过程下完成的；四口烧瓶(20)置于水浴缸(22)内，水浴缸(22)内为水浴水(23)，水浴水(23)要淹没四口烧瓶(20)体积的4/5，并用固定架(19)固定；四口烧瓶(20)内为反应溶液(21);在四口烧瓶(20)上部由左至右依次设有气体管(11)、加液漏斗(13)及控制阀(12)、电动搅拌器(14)、水循环冷凝管(17)及出水口(15)、出气口(16)、进水口(18);水浴缸(22)的下部为电热搅拌器(4)，在电热搅拌器(4)上设有显示屏(5)、指示灯(24)、电源开关(I)、温度调控器(2)、搅拌调控器(3);在电热搅拌器(4)的左部设有氮气瓶(6)、氧气瓶(7)，氮气瓶(6)连通气体管(11)，并由氮气阀(8)控制，氧气瓶(7)连通气体管(10)，并由氧气阀(9)控制；气体管(11)深入四口烧瓶(20)内，并输入氮气和氧气。
3.根据权利要求I所述的一种纳米晶锌铁类水滑石的快速制备方法，其特征在于制备锌铁类水滑石加热温度与时间坐标关系为加热温度由20°C开始，即A点，以2V Mn的速度升至60°C ±2°C，即B点，在此温度恒温、保温反应360min，即B-C区段，然后停止加热，使其随瓶自然冷却至20°C ±2°C，即D点，加热温度与时间成正比。
4.根据权利要求I所述一种纳米晶锌铁类水滑石的快速制备方法，其特征在于均匀沉淀法制备的锌铁类水滑石为红褐色不规则六边形片状晶体，晶体颗粒直径< 80nm。
全文摘要
本发明涉及一种纳米晶锌铁类水滑石的快速制备方法，采用均匀沉淀法，以硫酸锌、硫酸亚铁为原料，以六次甲基四胺为沉淀剂，以去离子水为溶剂、洗涤剂，以无水乙醇为洗涤剂，以氮气为保护气体，以氧气为氧化剂，经配制溶液、加热、搅拌、水循环冷凝、氮气保护、氧气氧化下进行化合反应，经洗涤、抽滤、真空干燥、研磨、过筛，制成纳米晶锌铁类水滑石，此制备方法工艺先进严密，制备速度快，数据翔实准确，产物纯度好，达99％，产物锌铁类水滑石为不规则六边形片状晶体，晶体颗粒直径≤80nm，可与多种化学物质匹配，是十分理想的纳米晶锌铁类水滑石的快速制备方法。
文档编号C01G49/00GK102757097SQ201210048610
公开日2012年10月31日 申请日期2012年2月22日 优先权日2012年2月22日
发明者吴旭, 安霞, 宋健玲, 谢鲜梅, 贾莹 申请人:太原理工大学