一种制备二维近单层蒙脱石的方法与流程

本发明涉及纳米材料的制备方法，尤其是涉及一种制备二维近单层蒙脱石的方法。

背景技术：

天然块状蒙脱石是具有层状结构的矿物材料，表面带负电，层与层之间通过范德华力连接，层间存在维系电荷平衡的金属阳离子(na⁺、k⁺、ca²⁺等)。近些年，随着石墨烯、c3n4等新型二维近单层纳米材料的兴起，蒙脱石型氢氧化物二维纳米材料也开始得到关注。此前，基于天然蒙脱石的结构特点，cui等人通过阳离子交换作用使表面活性剂进入蒙脱石层间，然后通过点击化学法制备出近单层蒙脱石。yan等使用ctab与蒙脱石层间na⁺交换，再通过球磨法获取近单层蒙脱石。以上制备近单层蒙脱石方法中使用的表面活性剂，较难生物降解，可能对水环境或地下水环境产生不利影响。而使用物理法制备二维近单层蒙脱石，则可避免制备过程中引入其他物质，简化制备过程且环境友好。因此本发明将着眼于利用钠型蒙脱石制备二维近单层纳米材料的绿色制备方法。基于此，我们发展了一种获取二维近单层蒙脱石的新途径。所得近单层蒙脱石平均粒径为210±125纳米,平均厚度为2.5±1.0纳米。这种近单层结构制备方法是首次报道的，可大批量制备二维蒙脱石，有望获得广泛应用。

我国蒙脱石储量丰富，探索二维近单层蒙脱石的制备方法，不仅可以丰富和完善蒙脱石的制备工艺，还可同时获得具有特殊结构和优良性能的产物，这对于拓展蒙脱石的应用领域和前景具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服现有的阳离子交换法制备二维近单层蒙脱石技术存在的缺陷，提供一种简单易行、低成本的制备二维近单层蒙脱石的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种制备二维近单层蒙脱石的方法，采用以下步骤：

(1)将粉末状钠型蒙脱石加入纯水中搅拌至完全分散，得到蒙脱石悬浮液；

(2)对蒙脱石悬浮液进行超声或搅拌处理，然后离心取上层悬浮液；

(3)将上层悬浮液进行真空冷冻干燥，得到白色棉花状二维近单层蒙脱石样品，即为产品，微观结构为二维超薄近单层片，水动力学半径为342±45纳米，粒径为230±125纳米，厚度为2.5±1.0纳米。

步骤(1)中搅拌控制转速为50-200rpm。

步骤(2)进行超声处理时，将超声破碎仪的探头置于蒙脱石悬浮液中，控制超声频率为90-200w，超声时间为10分钟-240分钟，制备二维近单层蒙脱石的过程中，超声频率越高，二维蒙脱石的产率越高；超声时间从10分钟增加至240分钟，二维蒙脱石的产率从38％增加至57％，继续提高超声频率或延长超声时间，超强的能量会导致二维蒙脱石失去二维结构，变为点状材料。

步骤(2)进行搅拌处理时，控制搅拌速率为200rpm-1500rpm，搅拌过程中的转速从200rpm增加至1500rpm，搅拌1-7天二维蒙脱石的产率从23％增加至37％，尤其是在500rpm转速下，搅拌1天至搅拌3天，二维蒙脱石的产率从24％增加至31％，随着搅拌时间的进一步增加，二维蒙脱石的产率基本保持不变。

步骤(2)中离心处理的转速为5000-10000rpm，离心时间为10-30分钟。

步骤(3)中真空冷冻干燥，真空干燥温度为-50℃，干燥时间为24-72h。

与现有技术相比，本发明简单易行，重复性好，得到的片状蒙脱石性质稳定，可进行大批量生产，用作吸附剂、催化剂载体、除菌剂等。

附图说明

图1为制备得到的二维近单层蒙脱石afm图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

将1克粉末状钠型蒙脱石，加入100毫升纯水中，控制转速为200rpm搅拌45分钟，得到混合均匀的蒙脱石悬浮液；将超声破碎仪的探头置于均匀溶液中，超声30分钟，随后将超声后的蒙脱石悬浮液在8000rpm转速下离心10分钟，取上层悬浮液。然后将上层悬浮液冷冻干燥，得到固体二维近单层蒙脱石，即为产品。该产品为近单层蒙脱石，平均粒径为230纳米，平均厚度为2.5纳米，其afm图如图1所示。从图中可以看出，得到的二维蒙脱石产品为均匀片状，厚度约为1.5纳米。

实施例2

将1克粉末状钠型蒙脱石，加入100毫升纯水中，控制转速为200rpm搅拌120分钟，得到混合均匀的蒙脱石悬浮液；将超声破碎仪的探头置于均匀溶液中，超声10分钟，随后将超声后的蒙脱石悬浮液在8000rpm转速下离心10分钟，取上层悬浮液。然后将上层悬浮液冷冻干燥，得到固体二维近单层蒙脱石，即为产品。该产品为近单层蒙脱石，平均粒径为230纳米，平均厚度为2.5纳米。

实施例3

将1克粉末状钠型蒙脱石，加入100毫升纯水中，控制转速为200rpm搅拌45分钟，得到混合均匀的蒙脱石悬浮液；将混合均匀的蒙脱石悬浮液，在500rpm转速下，连续搅拌3天，随后将搅拌后的蒙脱石悬浮液在8000rpm转速下离心10分钟，取上层悬浮液；最后将上层悬浮液冷冻干燥，得到固体二维近单层蒙脱石，即为产品。该产品为近单层蒙脱石，平均粒径为230纳米，平均厚度为2.5纳米。

实施例4

将1克粉末状钠型蒙脱石，加入100毫升纯水中，控制转速为200rpm搅拌45分钟，得到混合均匀的蒙脱石悬浮液；将混合均匀的蒙脱石悬浮液，在1500rpm转速下，连续搅拌3天，随后将搅拌后的蒙脱石悬浮液在8000rpm转速下离心10分钟，取上层悬浮液；最后将上层悬浮液冷冻干燥，得到固体二维近单层蒙脱石，即为产品。该产品为近单层蒙脱石，平均粒径为230纳米，平均厚度为2.5纳米。

实施例5

一种制备二维近单层蒙脱石的方法，采用以下步骤：

(1)将粉末状钠型蒙脱石加入纯水中，控制转速为50rpm搅拌至完全分散，得到蒙脱石悬浮液；

(2)对蒙脱石悬浮液进行超声处理，将超声破碎仪的探头置于蒙脱石悬浮液中，控制超声频率为90w，超声240分钟，然后控制转速为5000rpm离心30分钟，取上层悬浮液；

(3)将上层悬浮液进行真空冷冻干燥，控制真空干燥温度为-50℃，时间为24h，得到白色棉花状二维近单层蒙脱石样品，即为产品，微观结构为二维超薄近单层片，平均水动力学半径约为342纳米，平均粒径约为230纳米，平均厚度约为2.5纳米。

实施例6

一种制备二维近单层蒙脱石的方法，采用以下步骤：

(1)将粉末状钠型蒙脱石加入纯水中，控制转速为200rpm搅拌至完全分散，得到蒙脱石悬浮液；

(2)对蒙脱石悬浮液进行超声处理，将超声破碎仪的探头置于蒙脱石悬浮液中，控制超声频率为200w，超声10分钟，然后控制转速为8000rpm离心20分钟，取上层悬浮液；

(3)将上层悬浮液进行真空冷冻干燥，控制真空干燥温度为-50℃，时间为36h，得到白色棉花状二维近单层蒙脱石样品，即为产品，微观结构为二维超薄近单层片，平均水动力学半径约为297纳米，平均粒径约为105纳米，平均厚度约为1.5纳米。

实施例7

一种制备二维近单层蒙脱石的方法，采用以下步骤：

(1)将粉末状钠型蒙脱石加入纯水中，控制转速为100rpm搅拌至完全分散，得到蒙脱石悬浮液；

(2)对蒙脱石悬浮液进行搅拌处理，控制搅拌速度为200rpm，搅拌7天，然后控制转速为8000rpm离心20分钟，取上层悬浮液；

(3)将上层悬浮液进行真空冷冻干燥，控制真空干燥温度为-50℃，时间为36h，得到白色棉花状二维近单层蒙脱石样品，即为产品，微观结构为二维超薄近单层片，平均水动力学半径约为387纳米，平均粒径约为355纳米，平均厚度约为3.5纳米。

实施例8

(1)将粉末状钠型蒙脱石加入纯水中，控制转速为100rpm搅拌至完全分散，得到蒙脱石悬浮液；

(2)对蒙脱石悬浮液进行搅拌处理，控制搅拌速度为1500rpm，搅拌1天，然后控制转速为10000rpm离心10分钟，取上层悬浮液；

(3)将上层悬浮液进行真空冷冻干燥，控制真空干燥温度为-50℃，时间为72h，得到白色棉花状二维近单层蒙脱石样品，即为产品，微观结构为二维超薄近单层片，平均粒径约为300纳米，平均厚度约为2.5纳米。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。