专利名称：氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的物制备及应用的制作方法
技术领域：
本发明属纳米复合材料制备和应用领域，特别是涉及一种氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢 氧化物的制备方法及该复合物的应用。
背景技术：
随着工业化进程的不断深入，全球性环境污染日益破坏着地球生物圈几亿年来所形 成的生态平衡，并对人类自身的生存环境构成威胁。水污染是我国当前面临的严重环境问 题，特别是阴离子型有机废水，由于其种类多，污染面广，己经成为重要的地表水和地下 水的有机污染源。
目前关于阴离子型有机废水治理方法的研究正引起人们的广泛重视。层状双氢氧化 物(layered double hydroxides,简称LDHs)，又称阴离子粘土或水滑石。其基本结构式为 [M2+kM3 (OH)2;T+A"^ rnH20， M2， ^43+分别代表二价和三价阳离子，A"^代表m价阴 离子。LDHs具有类似水镁石的层状结构，在水镁石的结构单元层中，二价阳离子部分被 三价阳离子替代，产生结构正电荷，从而需要引入阴离子进入结构单元层间平衡结构正电 荷F. Cavani, F. Trifiro, A. Vaccari, Catal. Today, 1991, vol.11, 173。将LDHs在一定条件 下焙烧，受热过程中，由于结构羟基的脱去及挥发气体的逸出，原层状氢氧化物结构逐渐 破坏，转化为新的复合氧化物。这种复合氧化物晶粒小而均匀，比表面积大，在一定的湿 度(或水)和阴离子的条件下，可以恢复形成LDHs，即所谓的"记忆"功能R. L. Goswamee, P. Sengupta， K. G. Bhattacharyya, D. K. Dutta, Appl. Clay Sci.， 1998, vol.13, 21。由于LDHs 的这个特殊性质，近年来其作为吸附新材料的应用，越来越受到研究者的重视F.Leroux，J. P. Besse, Chem. Mater., 2001, vol.13, 3507。尽管层状氧化物的吸附性很强，但在反应结束 之后却无法将吸附的有机阴离子污染物进一步降解，只能通过再次煅烧将有机阴离子转移 成无机物。整个过程中并未将污染物真正去除，只是将其从水相中转移，这一定程度上限 制了层状氧化物的使用。
氧化锌和二氧化钛等的光催化特性已经有广泛的研究，对于大面积污染的水域，临 时安装大量的紫外灯来激发光催化过程是不现实的。光催化效率并不高，将污染的水体引 入到特制的光催化反应器中通过光催化反应大量消除有机污染物目前尚难以实现。氧化锌 纳米棒在一些染料的光催化降解反应中表现出较二氧化钛纳米晶更高的光催化活性Q. Wan, T. H. Wang, J. C. Zhao, Appl. Phys. Lett. 2005, vol. 87， 083105; Q. H， Zhang, W. G. Fan, L. Gao， Appl. Catal. B, 2007, vol. 76,168，将氧化锌纳米棒与一些吸附能力强的吸附剂复合
后，可较快的吸附水体中的有机污染物，再对吸附剂进行回收，通过光催化过程来消除有 机污染物并对吸附剂进行再生，有明确的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的制备方法及其复合 氧化物的应用。本发明中将共沉淀法制备得到的层状双氢氧化物分散在水中，加入可溶性 锌盐与尿素，升温后促使锌盐转化为沉淀，得到锌离子沉淀物与镁铝层状双氢氧化物的复 合物。通过调节锌盐和层状双氢氧化物的比例，可获得不同组成的氧化锌纳米棒与镁铝层 状双氢氧化物的复合物。该复合物具有吸附性强、光催化活性好等特点，在吸附阴离子 染料后，能通过其表面的氧化锌纳米棒，经过汞灯等含紫外光的灯具照射将污染物进一步 分解，从而彻底去除废水中的阴离子污染物。该制备方法工艺简单，易于工业化生产。
本发明的氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的纳米复合物的制备，包括步骤-
(1) 共沉淀法制备镁铝层状双氢氧化物(Mg-Al-C03 layered double hydroxides) 室温下，按化学计量比称取可溶性的镁盐和铝盐，加水搅拌至完全溶解，所得溶液称
为混合盐溶液。再称取可溶性的碳酸盐和无机碱，加水搅拌至完全溶解后配置成一定浓度 的碱溶液，所得溶液称为混合碱溶液。将前一种溶液(混合盐溶液)逐滴加入后一种溶液 (混合碱溶液)里，滴加完毕后，升温至50 120。C，反应12 48h，用水充分洗涤后干燥， 得到镁铝层状双氢氧化物。其中，可溶性镁盐和铝盐的摩尔比为1:1 1:5，碳酸盐和无 机碱的摩尔比为1:1-1:6。
(2) 制备纳米棒状锌离子的沉淀物/镁铝层状双氢氧化物的复合物
室温下，按化学计量比称取可溶性的锌盐和尿素，加水搅拌溶解，再向混合溶液中加 入洗涤干净的镁铝层状双氢氧化物，搅拌10min 120min得悬浮液；
将悬浮液升温至80~100°C，反应4 24h，得产物纳米棒状锌离子的沉淀物/镁铝层状双 氢氧化物的复合物；
其中，可溶性锌盐(以氧化锌计)和尿素的摩尔比为1:10 1:20，可溶性锌盐(以氧 化锌计)和镁铝碳酸盐层状双氢氧化物的质量比为1:10 5:1。
(3) 制备氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的纳米复合物
冷却至室温，收集步骤(2)的产物，用去离子水及无水乙醇洗涤后，60 110。C烘干 12~24h,并在400~600°C下煅烧2~4h，得到氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物，再经过可溶 性碳酸盐在0~50°C浸泡2~24h，得到氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的纳米复合物。
所述步骤(1)中的可溶性的镁盐和铝盐分别是硝酸镁和硝酸铝或氯化镁和氯化铝；
可溶性碳酸盐和无机碱是分别是碳酸钠和氢氧化钠或碳酸钾和氢氧化钾。
所述步骤(2)中的可溶性的锌盐是醋酸锌、硝酸锌、硫酸锌、氯化锌中的一种或它 们的混合物。
所述步骤(3)中的可溶性碳酸盐是碳酸钠或碳酸钾，其浓度以碳酸根离子计，范围 为0.05mol/L~2.0mol/L。
所述步骤(3)中的氧化锌纳米棒/镁铝氧化物、氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物 的纳米复合物中的氧化锌纳米棒的直径在10~50纳米。
本发明中，水溶液中升温到80。C或以上，尿素按下列化学方程式分解 CO(NH2)2+H20 4 C02个+2NH3 (1) 产生的氨水和二氧化碳与锌离子反应
C02+4NH3.H20+2Zn2+ ■> Zn2(OH)2CO" +4NH4+ +H20 (2)
受热后碱式碳酸锌分解
Zn2(OH)2C03 — 2ZnO+C02个+H20个 (3) 同时，Mg-Al-CCbLDHs可按造下式分解
Mg!.xAlx(OH)2(C03)x/2.yH20 4 Mgl-xAlx01+x/2 + x/2C02+(l+y)H20 (4) 可溶性碳酸盐溶液浸泡后，Mgl.xAlx01+x/2重新转变为Mg-Al-C03 LDHs: MgLxAlxCW+x/2C032_+(1 +x/2+2)OH_
■> MgkAlx(OH)2(C03)x/2-yH20+(l+x/2-y)H20 (5) 式(4)中的层状双氢氧化物分解可参考文献(W. S. Yang, Y. M. Kim, P. K. Liu, M. Sahimi,T. T. Tsotsis， Chem. Engineer. Sci., 2002, vol. 57, 2945)，约在70 190。C失去层间水分 子，190 280。C失去氢氧根离子，在280 450。C失去碳酸根离子。式(5)中的阴离子除了碳酸 根离子外，还可以是硝酸根、硫酸根、磷酸根、卤素离子、还可以是阴离子型染料，还需 要指出的OH-也可由混合氧化物水合产生，所以在中性溶液中也可转变成层状双氢氧化物。
本发明的氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的纳米复合物的应用在于吸附在水中 溶解的阴离子型染料，通过其表面的氧化锌纳米棒，经过汞灯等含紫外光的灯具照射将污 染物进一步分解，从而彻底去除废水中的阴离子污染物。
将氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物浸泡在酸性红G溶液中2~12h，可观察到水基本变 成无色，而原为白色的复合物粉末变为红色，表明大部分染料分子已吸附在复合物中。将 饱和吸附的复合物回收后干燥，将其分散在去离子水中后，再倒入夹套式光催化反应器中，
打开汞灯，经紫外光照射后，复合物粉末颜色逐渐变浅。最后恢复到原来的白色。吸附染 料分子的复合物在水中的浓度为0.4g/L~20g/L,光催化过程中可通入空气或氧气来加速光 催化过程。
有益效果
(1) 所制备的氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物或氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物，保 留了吸附剂本身吸附性能力强的特点，同时具有一定的光催化活性；
(2) 氧化锌纳米棒/镁铝氧化物对水中溶解的阴离子型染料有很强的吸附能力，吸附染料 后经过紫外光照射，可将染料分子光催化降解，降解产生的无机阴离子固定在镁铝层状双 氢氧化物的层间；
(3) 制备工艺简单、对生产设备要求低、易于工业化生产。
图1为实施例1制备氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物的X射线衍射图2为实施例2制备氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物的高分辨透射电镜照片和电子能谱图，
(a)为氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物的高分辨电镜，(b)为相应区域的能谱，其中有锌元素、
镁元素、铝元素以及氧元素，其中的铜和碳来自做电镜用的铜网，锌的能谱峰大大强于镁
和铝；
图3为实例3制备的氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物吸附染料后以及光催化后的红外光谱， 图中所对应的红外光谱分别对应的物质为(a)为酸性红G、 (b)为吸附了酸性红G之后的氧 化锌纳米棒/镁铝复合氧化物、(c)为经过光催化降解之后的复合氧化物、(d)为镁铝层状双 氢氧化物；
图4为实例4制备用碳酸钠还原重新得到氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的X射线衍 射图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术 人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限 定的范围。
实施例1
称取32.00g六水硝酸镁和23.45g九水硝酸铝加入到100ml水中，搅拌至完全溶解，
待用。另称取17.50g碳酸钠和22.15g氢氧化钠加入到125ml水中，搅拌至完全溶解。将 所得的碳酸钠和氢氧化钠的混合溶液倒入三颈烧瓶中，放入油浴锅，再将硝酸镁与硝酸铝 的混合溶液逐滴滴加到三颈烧瓶中。滴加完毕后，将油浴锅加热到70°C,升温速率为 10~20°C/min，温度达到设定温度后保温18h。保温结束后自然冷却到室温，倒出产物，用 蒸馏水洗涤5遍再用无水乙醇洗涤3遍，经过110。C烘干24h，得到镁铝层状氢氧化物。
称取2.20g 二水醋酸锌和9.00g尿素加入到150ml水中，搅拌5min，再称取0.72g共 沉淀法制备的镁铝碳酸盐层状双氢氧化物加入上述溶液，搅拌10min。将含镁铝层状双氢 氧化物的溶液倒入三颈烧瓶中，放入油浴锅，开始加热到95。C，升温速率为10~20°C/min， 温度达到设定温度后保温12h。保温结束后自然冷却到室温，倒出产物，用蒸馏水洗涤5 遍再用无水乙醇洗涤3遍，经过110。C烘干24h。将粉体于空气中500。C煅烧4h，得到氧 化锌纳米棒/镁铝复合氧化物。
图1中给出了X射线衍射图，图中所示的氧化锌特征峰十分明显，已经标出的晶面均 对应于纤锌矿相氧化锌，而镁铝层状氧化物以无定形的形式出现。
实施例2
称取1.37g氯化锌和9.00g尿素加入到150ml水中，搅拌5min，再称取1.44g共沉淀 法制备的镁铝层状双氢氧化物加入上述溶液，搅拌10min。将含镁铝层状双氢氧化物的溶 液倒入三颈烧瓶中，放入油浴锅，开始加热到95。C，升温速率为10~20°C/min，温度达到 设定温度后保温12h。保温结束后自然冷却到室温，倒出产物，用蒸馏水洗涤5遍再用无 水乙醇洗涤3遍，经过110。C烘干24h。将粉体于空气中500。C煅烧4h，得到氧化锌纳米 棒/镁铝复合氧化物。
图2中给出了高分辨透射电镜照片，可以清楚看到氧化锌为棒状、有清晰的晶格条纹， 表明氧化锌有很好的结晶度。
实施例3
称取11.88g氯化镁和8.35g氯化铝加入到100ml水中，溶解后的溶液待用。另称取 28.81g碳酸钾和24.50g氢氧化钾加入到125ml水中，搅拌至完全溶解。将所得的碳酸钾与 氢氧化钾的混合溶液倒入三颈烧瓶中，放入油浴锅，再将氯化镁与氯化铝的混合溶液逐滴 滴加到三颈烧瓶中。滴加完毕后，将油浴锅加热到85。C，升温速率为10 20。C/min，温度 达到设定温度后保温24h。保温结束后自然冷却到室温，倒出产物，用蒸馏水洗涤5遍再
用无水乙醇洗涤3遍，经过110。C烘干24h，得到镁铝层状氢氧化物。
称取3.30g 二水醋酸锌和13.50g尿素加入到150ml水中，搅拌5min，再称取0.72g共 沉淀法制备的镁铝层状双氢氧化物加入上述溶液，搅拌10min。将含镁铝层状双氢氧化物 的溶液倒入三颈烧瓶中，放入油浴锅，开始加热到90。C，升温速率为10~20°C/min，温度 达到设定温度后保温12h。保温结束后自然冷却到室温，倒出产物，用蒸馏水洗涤5遍再 用无水乙醇洗涤3遍，经过110。C烘干24h。将粉体于空气中500。C煅烧4h，得到氧化锌 纳米棒/镁铝复合氧化物。
将0.30g氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物加入1000ml、浓度为40mg/L的酸性红G溶液 中，搅拌8h，待反应平衡后离心，收集粉末，经过60。C真空烘干24h,得到镁铝酸性红G 层状双氢氧化物。
称取0.16g镁铝酸性红G层状双氢氧化物加入到400ml去离子水中，超声5min，通入 氧气，氧气流速为100ml/min。用汞灯照射，2h后终止反应，将催化剂回收。
图3给出了氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物吸附染料后以及光催化后的红外光谱，作为 对比， 一并给出了酸性红G和镁铝层状氢氧化物的红外光谱。图中能看到复合层状氧化物 在吸附了酸性红G之后出现了一系列酸性红G的特征峰在1498cm—1处出现了-N=N-的 特征峰、在1216cm—1和1050cm—1出现了 S03—的特征峰。经过光催化降解后，酸性红G 的特征峰明显减弱，同时在1114cm—'处出现了一个SC^—的特征峰，从而证明酸性红G已 被分解，而产生的硫酸根固定在层状双氢氧化物中。
实施例4
称取3.73g六水硝酸锌和U.25g尿素加入到150ml水中，搅拌5min，再称取0.72g共 沉淀法制备的镁铝碳酸盐层状双氢氧化物加入上述溶液，搅拌10min。将含镁铝层状双氢 氧化物的溶液倒入三颈烧瓶中，放入油浴锅，开始加热到95。C，升温速率为10~20°C/min， 温度达到设定温度后保温12h。保温结束后自然冷却到室温，倒出产物，用蒸馏水洗涤5 遍再用无水乙醇洗涤3遍，经过110。C烘干24h。将粉体于空气中500。C煅烧4h，得到氧 化锌纳米棒/镁铝复合氧化物。
称取3.00g氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物加入100ml、浓度为lmol/L的碳酸钠溶液中， 搅拌24h，待反应平衡后，用蒸馏水洗涤5遍再用无水乙醇洗涤3遍，经过60。C真空烘干 24h,得到氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物。
图4中给出了 X射线衍射图，图中所示的氧化锌与镁铝层状双氢氧化物的特征峰都十
分显著，已经标出的晶面分别对应纤锌矿相氧化锌以及镁铝层状双氢氧化物，其中氧化锌 (002)的特征峰与镁铝层状氢氧化物(009)的特征峰重叠，从而增强了使这块区域的峰 强。
权利要求
1. 一种氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的纳米复合物的制备，包括步骤(1)室温下，按化学计量比称取可溶性的镁盐和铝盐，加水搅拌至完全溶解，得混合盐溶液。再称取可溶性的碳酸盐和无机碱，加水搅拌至完全溶解后配置成碱溶液，得混合碱溶液。将混合盐溶液逐滴加入混合碱溶液里，滴加完毕后，升温至50～120℃，反应12～48h，用水充分洗涤后干燥，得到镁铝层状双氢氧化物。(2)室温下，按化学计量比称取可溶性的锌盐和尿素，加水搅拌溶解，再向混合溶液中加入镁铝层状双氢氧化物，搅拌10min～120min得悬浮液，将悬浮液升温至80～100℃，反应4～24h，得产物纳米棒状锌离子的沉淀物/镁铝层状双氢氧化物的复合物；(3)冷却至室温，收集步骤(2)的产物，用去离子水及无水乙醇洗涤后，60～110℃烘干12～24h，并在400～600℃下煅烧2～4h，得到氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物，再经可溶性碳酸盐在0～50℃浸泡2～24h，得到氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的纳米复合物。
2. 根据权利要求1所述的镁铝层状双氢氧化物的制备，其特征在于所述步骤(1)中， 混合盐溶液中镁离子和铝离子的摩尔比为1:1 1:5，混合碱溶液中碳酸根离子和氢氧根 离子的摩尔比为1:1 1:6。
3. 根绝权利要求l所述的镁铝层状双氢氧化物的制备，其特征在于所述步骤(1)中的 可溶性的镁盐和铝盐分别是硝酸镁和硝酸铝或氯化镁和氯化铝；可溶性碳酸盐和无机碱分别是碳酸钠和氢氧化钠或碳酸钾和氢氧化钾。
4. 根据权利要求1所述的氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的纳米复合物的制备，其特 征在于所述步骤(2)中，可溶性锌盐的用量都是以氧化锌计算，其中，氧化锌和尿素 的摩尔比为1:10-1:20，氧化锌和镁铝碳酸盐层状双氢氧化物的质量比为1:10~5:1。
5. 根据权利要求1所述的氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的纳米复合物的制备，其特 征在于所述步骤(2)中的可溶性的锌盐是醋酸锌、硝酸锌、硫酸锌、氯化锌中的一种 或它们的混合物。
6. 根据权利要求1所述的氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的纳米复合物的制备，其特 征在于所述步骤(3)中的可溶性碳酸盐是碳酸钠或碳酸钾，其浓度以碳酸根离子计， 范围为0.05mol/L~2.0mol/L。
7. 根据权利要求1所述的氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的纳米复合物的制备，其特征在于所述步骤(3)中的氧化锌纳米棒/镁铝氧化物、氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物中氧化锌纳米棒的直径在10-50纳米。
8.氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的纳米复合物应用于吸附在水中溶解的阴离子型染 料，通过其表面的氧化锌纳米棒，经过含紫外光的灯具照射将污染物进一步分解，彻底去 除废水中的阴离子污染物。
全文摘要
本发明涉及一种氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物的制备方法及该复合物的应用，通过用共沉淀法制备得到的镁铝层状双氢氧化物，将洗涤后的层状双氢氧化物沉淀分散在水中，加入可溶性锌盐与尿素，升高温度，利用尿素水解产生的氨促进锌盐的水解得到锌离子的沉淀物。沉淀物经洗涤和煅烧后，得到氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物。氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物经过可溶性碳酸盐浸泡后得到氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物。氧化锌纳米棒/镁铝层状双氢氧化物和氧化锌纳米棒/镁铝复合氧化物对酸性红等阴离子染料分子有很强的吸附能力，吸附染料分子后经紫外光照射后染料分子被光催化分解，可作为吸附能力强的复合光催化剂。
文档编号B01J23/06GK101391201SQ200810201188
公开日2009年3月25日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者张青红, 李耀刚, 王宏志, 袁素珺 申请人:东华大学