专利名称：一种层状复合金属氢氧化物的原子经济制备方法
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[Mi-rf+^OlDjA^/n mH20，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,Preparationof layered double—hydroxide nanomaterials with a uniform crystallitesize using a new 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Na2C03和NaOH发生共沉淀反应制备LDHs的方法，反应使用了过量的Na2C03，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Na2C03 或NaHC03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)fromMixed MgO and A1203 :LDH Formation Mechanism, Chem. Mater. 2005. 17 :1055-1062报道了以MgO和A1203的机械混合物为原料，加入Na2C03或 NaHC03于110°C制备层间阴离子为CO: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，或当阴离子々"-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°C焙烧一定时间，使样品转变成相应 层板金属的复合氧化物LD0，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°C以下，结构的恢复是可 能的，当焙烧温度在600°C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LD0，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<formula>formula see original document page 4</formula>
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。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倍的去离子水，置于反应器中；B.在反应器中，加入阴离子为An_的相应铵盐，An_与M3+的摩尔比为1 n-10 n, 不加入氨水或加入反应总体积0. 01-0. 5倍的氨水，反应温度50-200°C，反应0. 5_24h后取 出固体产物，直接过滤后于50-120°C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⑴无机酸阴离子F_、cr、Br—、r、no3-、hco3-、C103-、103_、 H2P04-、C032—、S032—、S2 032—、HP042—、TO/-、Cr042—、P043—；⑵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 Mo70246\ V100286\ PWnCu0396-、SiW9V304(T ；优选 cr、no3\ CO广、SO广、P043_、对苯二甲酸根、丁二酸根、苯甲酸根、Mo70246_。所述的层间为An_的LDHs的化学组成式为⑷+卜^3 (OH)2] A%/n mH20，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；13+代表三价金属阳离子，是413+、附3+、0)3+、？63+^113+、03+、沪+、113+、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_、CI—、Br—、1_、N03_、C103_、103_、H2P04_、 C032—、S032—、S2032—、HPO/-、W042\ Cr042—或 P043—；⑵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；⑶同多和杂多阴离子Mo70246-、 V100286_、PWnCU0396_、SiW9V30407_;x为M3+离子的摩尔分数，其取值范围是0. 2彡x彡0. 33 ；m为结晶水的数量，其取值范围是0彡m彡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，通过相应装置可回收 原料中的氨并重复利用。本发明大大节约了水资源，保护了环境。
图1是实施例1所得MgAl-C03-LDHs的XRD图；图2是实施例1所得MgAl-C03-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。
具体实施例方式实施例1 步骤A 将Mg (OH) 2和A1 (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，再加到反应器中；步骤B 向反应器中加入1. 27g碳酸氢铵和10ml氨水，升温至100°C，反应2小时， 将得到的产物离心后直接于70°C干燥8小时，得到分子式为Mg6Al2(0H)12C03 4H20的LDHs 产品，即 MgAl-C03_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20 =11.7°，23.4°和34.5°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，1361cm—1处的强吸收峰可 以归属为镁铝碳酸根LDHs层间阴离子CO: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
步骤六将211(011)2、]\%(011)2和六1(011)3按2112+ 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，再加到反应器中；步骤B 向反应器中加入1. 27g碳酸氢铵和20ml氨水，升温至200°C，反应1小时， 将得到的产物离心后直接于70°C干燥8小时，得到分子式为ZnMg3Al2 (OH) 12C03 -4H20的LDHs
女口
广 BFI o实施例3 步骤A 将Ca (OH) 2和A1 (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，再加到反应器中；步骤B 向反应器中加入1. 27g碳酸氢铵和30ml氨水，升温至200°C，反应1小时， 将得到的产物离心分离，直接于70°C干燥8小时，得到分子式为Ca4Al2(0H)12C03 4H20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 A1 = 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，再加到反应器中；步骤B 向反应器中加入0. 58g对苯二甲酸铵和20ml氨水，升温至160°C，反应6小 时，将得到的产物离心后直接于70°C干燥8小时，得到分子式为Ni8Fe2(0H)2Q(C8H404) 4H20 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 (0H) 2和Ni (0H) 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，再加到反应器中；步骤B 向反应器中加入0. 73g(NH4)6Mo7024，升温至120°C，反应8小时，将得到的 产物离心分离，直接于70°C干燥8小时，得到分子式为CO24Ni6(0H)6Q(MO7024) 4H20的LDHs
女口
广 BFI o实施例6 步骤A 将Mg (0H) 2和Fe (0H) 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，再加到反应器中；步骤B 向反应器中加入0. 58g(NH4)3P04，升温至150°C，反应8小时，将得到的产物 离心分离，直接于70°C干燥8小时，得到分子式为Mg6Fe3(0H)18(P04) 4H20的LDHs产品。实施例7 步骤A 将Co (0H) 2和Ni (0H) 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，再加到反应器中； 步骤B 向反应器中加入5. egmHjePWnCuC^，升温至200°C，反应1小时，将得到的 产物离心分离，直接于70°C干燥8小时，得到分子式为Co4Ni2(0H)12C03 -4H20的LDHs产品。
权利要求
一种层状复合金属氢氧化物的原子经济制备方法，其特征在于，其具体制备步骤是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倍的去离子水，置于反应器中；B.在反应器中，加入阴离子为An-的相应铵盐，An-与M3+的摩尔比为1∶n-10∶n，不加入氨水或加入反应总体积0.01-0.5倍的氨水，反应温度50-200℃，反应0.5-24h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。
2.根据权利要求1所述的一种层状复合金属氢氧化物的原子经济制备方法，其特征在 于，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；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；An-是下述酸的阴离子⑴无机酸阴离子F-、Cr、Br-、r、N03-、HC03-、C103-、 10” H2POp C032—、S032—、S2 032—、!IPO/-、W042\ Cr042—、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 Mo70246-、V100286\ PWnCu0396-、SiW9V30407-。
3.根据权利要求1所述的一种层状复合金属氢氧化物的原子经济制备方法，其特征在 于，所述的层间为An-的LDHs的化学组成式为[M2VxM3+x(0H)2]An-x/n.mH20,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；13+代表三价金属阳离子，是413+、附3+、0)3+、？63+^113+、03+、沪+、113+、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_、Γ、N03_、C103_、103_、H2P04_、CO广、 S032—、S2032—、HP042-、TO/—、CrO42-或P043—；⑵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Mo70246-、V10O286-, PW11CuO396; Siff9V3O407-；χ为M3+离子的摩尔分数，其取值范围是0. 2<χ<0. 33 ；m为结晶水的数量，其取值范围是0 < m < 2 ；η为层间阴离子所带电荷数。
4.根据权利要求1所述的一种层状复合金属氢氧化物的原子经济制备方法，其特征在 于，所述的M2+代表二价金属阳离子Mg2+、Zn2+、Ca2+、Ni2+中的一种或者两种。
5.根据权利要求1所述的一种层状复合金属氢氧化物的原子经济制备方法，其特征在 于，所述的M3+代表三价金属阳离子Al3+、Ni3+、Fe3+中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的一种层状复合金属氢氧化物的原子经济制备方法，其特征在 于，所述的An-是Cl—、NO” C032—、S032—、P043—、对苯二甲酸根、丁二酸根、苯甲酸根或Mo70246_。
全文摘要
本发明公开了属于无机非金属功能材料的制备技术领域的一种层状复合金属氢氧化物的原子经济制备方法。本发明以金属氢氧化物、铵盐和氨水为原料，在反应器中通过原子经济反应制备层状复合金属氢氧化物。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。本发明生产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。
文档编号C01B13/14GK101798064SQ20101012634
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月15日 优先权日2010年3月15日
发明者宋家庆, 徐向宇, 林彦军, 陈秋华 申请人:北京泰克来尔科技有限公司