一种锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料及其制备方法和作为磁性催化剂的应用与流程

本发明涉及无机材料技术领域，特别涉及一种锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料及其制备方法和作为磁性催化剂的应用。

背景技术：

磁性尖晶石型铁酸钴(cofe2o4)具有良好的物理、化学和催化性质，在气体传感器、水处理、电磁微波吸收、催化等领域拥有广阔应用前景。由于钴离子能够高效活化单过硫酸盐产生强氧化性的硫酸根自由基，因此cofe2o4是一种可用于催化氧化反应的磁性催化剂。cofe2o4中铁的引入有助于降低催化剂成本和减弱游离钴离子的潜在毒性，同时不同价态铁离子间的电子转移和钴离子间的空穴转移使cofe2o4半导体氧化物的导电载流子具有可调性，丰富了cofe2o4基气体传感器响应性和选择性的调控手段。此外cofe2o4可根据需要与石墨烯、贵金属、聚合物等材料复合，进一步拓展其应用范围。

锂皂石(laponite)是一类具有较强阳离子交换性、亲水性、流变性和吸附性等诸多特点的层状硅酸盐粘土。锂皂石一般由双层si-o四面体包夹单层mg-o八面体构筑，并进一步形成尺寸仅为25～30nm的圆片状纳米颗粒。锂皂石纳米颗粒表面电荷呈各向异性，且富含大量活性羟基基团，能与其它物质发生较强相互作用。因此，锂皂石纳米颗粒常被选为理想的载体用于负载金属及金属氧化物，尤其在负载纳米pd时，锂皂石纳米颗粒还表现出较强的还原性。然而，锂皂石纳米颗粒作载体时易因本身尺寸较小发生团聚，导致其优势不能被充分发挥。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明目的在于提供一种锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料及其制备方法和作为磁性催化剂的应用。本发明提供的纳米复合材料是将锂皂石嵌入铁酸钴纳米颗粒中，形成锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料，避免了锂皂石团聚，增加了材料的比表面积，提高了材料的催化活性，可作为磁性催化剂应用在催化氧化降解有机染料中。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料，所述复合材料具有多孔的短柱状形貌，比表面积为80～120m²/g；所述短柱状形貌的平均尺寸为3.8μm×1.6μm；

所述复合材料中锂皂石嵌入铁酸钴纳米颗粒中。

优选地，所述复合材料的孔容为0.38～0.45cm³/g、孔径为10～20nm。

本发明提供了以上方案所述锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将锂皂石粉体、水和草酸钠混合分散，得到锂皂石分散液；

(2)将硫酸亚铁、硫酸钴和水混合溶解，得到铁钴溶液；

(3)将所述铁钴溶液加入至锂皂石分散液中混合进行配位反应，得到固体沉淀；

(4)将所述固体沉淀依次进行洗涤、干燥和焙烧，得到所述锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料；

所述步骤(1)和步骤(2)没有时间顺序的限制。

优选地，所述步骤(1)中，锂皂石粉体与草酸钠的质量比为(0.01～1.2):4；所述锂皂石粉体与水的用量比为0.01～1.2g:100ml。

优选地，所述步骤(1)中混合分散的方法具体为：

将锂皂石粉体与水混合进行第一超声分散，得到第一分散液；

然后将所述第一分散液与草酸钠混合依次进行第二超声分散和搅拌分散，得到锂皂石分散液。

优选地，所述第一超声分散和第二超声分散的功率独立为150～250w、频率独立为20～60khz；所述第一超声分散的时间为5～20min；所述第二超声分散的时间为10～30min；所述搅拌分散的转速为200～800r/min，所述搅拌分散的时间为30～120min。

优选地，所述步骤(2)中硫酸亚铁、硫酸钴和步骤(1)中草酸钠的摩尔比为2:1:(3～3.6)；所述铁钴溶液中硫酸亚铁的摩尔浓度为0.1～0.3mol/l。

优选地，所述步骤(2)中混合溶解的方法具体为：将硫酸亚铁、硫酸钴和水混合进行第三超声分散，得到铁钴溶液；所述第三超声分散的功率为150～250w、频率为20～60khz。

优选地，所述步骤(4)中干燥的温度为60～120℃，时间为12～24h；所述焙烧的温度为350～700℃，时间为1～5h；所述焙烧之后还包括：对焙烧产物依次进行洗涤和干燥。

本发明还提供了以上方案所述锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料或以上方案所述制备方法得到的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料作为磁性催化剂在催化氧化降解有机染料中的应用。

本发明提供了锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料，所述复合材料具有多孔的短柱状形貌，比表面积为80～120m²/g；所述短柱状形貌的平均尺寸为3.8μm×1.6μm；所述复合材料中锂皂石嵌入铁酸钴纳米颗粒中。本发明将锂皂石嵌入铁酸钴纳米颗粒中，形成锂皂石/铁酸钴多孔复合材料，避免了锂皂石团聚，增加了材料的比表面积，提高了材料的催化活性；并且铁酸钴纳米颗粒的结构和特征保持完好。本发明提供的纳米复合材料具有较高的比表面积和良好的磁性特征，可作为磁性催化剂应用在催化氧化降解有机染料中，并且易于回收。实施例结果表明，本发明提供的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料的比表面积为99.9m²/g，饱和磁化强度为42.4emu/g；与单纯的铁酸钴材料相比，本发明提供的锂皂石/铁酸钴多孔复合材料对有机染料的催化降解活性明显提高。

本发明提供了所述锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料的制备方法，本发明通过配位沉淀法制备锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料，过程简单，条件温和，对设备要求较低，原料价格低廉、易于得到。

附图说明

图1为实施例1和比较例所得样品以及锂皂石的x射线衍射(xrd)图谱，图1中(a)为比较例所得样品(铁酸钴多孔纳米结构)的x射线衍射图谱图，(b)为实施例1所的样品(锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料)的x射线衍射图谱图，(c)为锂皂石的x射线衍射图谱图；

图2为实施例1制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料样品的扫描电子显微镜(sem)照片，图2中(a)、(b)、(c)分别为放大2000倍、5000倍、30000倍的扫描电子显微镜照片；

图3为实施例1制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料样品的eds能谱图；

图4为实施例1制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料样品和比较例所得铁酸钴样品的磁滞回线图；

图5为实施例1制备的锂皂石/铁酸钴多孔复合材料样品和比较例所得铁酸钴样品的催化性能曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料，所述复合材料具有多孔的短柱状形貌，比表面积为80～120m²/g；所述短柱状形貌的平均尺寸为3.8μm×1.6μm；所述复合材料中锂皂石嵌入铁酸钴纳米颗粒中。

在本发明中，所述复合材料的比表面积优选为90～100m²/g，更优选为99.9m²/g。在本发明中，所述复合材料的孔容优选为0.38～0.45cm³/g，更优选为0.4cm³/g；孔径优选为10～20nm，更优选为14～18nm。

本发明将锂皂石嵌入铁酸钴纳米颗粒中，形成锂皂石/铁酸钴多孔复合材料，避免了锂皂石团聚，增加了材料的比表面积，提高了材料的催化活性；并且铁酸钴纳米颗粒的结构和特征保持完好。本发明提供的复合材料具有较高的比表面积和良好的磁性特征，可作为磁性催化剂应用在催化氧化降解有机染料中。并且本发明提供的纳米复合材料利用磁性吸铁石即可方便地将其回收，具有易于回收的特点。

本发明提供了以上方案所述锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将锂皂石粉体、水和草酸钠混合分散，得到锂皂石分散液；

(2)将硫酸亚铁、硫酸钴和水混合溶解，得到铁钴溶液；

(3)将所述铁钴溶液加入至锂皂石分散液中混合进行配位反应，得到固体沉淀；

(4)将所述固体沉淀依次进行洗涤、干燥和焙烧，得到所述锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料；

所述步骤(1)和步骤(2)没有时间顺序的限制。

如无特别说明，本发明所使用的原材料均为本领域技术人员熟知的常规市售商品。

本发明将锂皂石粉体与水和草酸钠混合分散，得到锂皂石分散液。本发明对所述锂皂石粉体的粒度没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知粒度的锂皂石粉体即可。在本发明中，所述锂皂石粉体与草酸钠的质量比优选为(0.01～1.2):4，更优选为(0.2～0.6):4；所述锂皂石粉体与水的用量比优选为0.01～1.2g:100ml，更优选为0.2～0.6g:100ml。

在本发明中，所述混合分散的方法具体优选为：

将锂皂石粉体与水混合进行第一超声分散，得到第一分散液；

然后将所述第一分散液与草酸钠混合依次进行第二超声分散和搅拌分散，得到锂皂石分散液。

在本发明中，所述第一超声分散和第二超声分散的功率优选独立为150～250w，更优选为200w；频率优选独立为20～60khz，更优选为40khz；所述第一超声分散的时间优选为5～20min，更优选为6～15min；所述第二超声分散的时间优选为10～30min，更优选为15～25min；所述搅拌分散的转速优选为200～800r/min，更优选为500～600r/min，所述搅拌分散的时间优选为30～120min，更优选为60～80min。本发明对所述第一超声分散、第二超声分散和搅拌分散的具体操作方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的操作方法即可。

本发明将硫酸亚铁、硫酸钴和水混合溶解，得到铁钴溶液。在本发明中，所述硫酸亚铁、硫酸钴和草酸钠的摩尔比优选为2:1:(3～3.6)，更优选为2:1:(3.2～3.4)；所述铁钴溶液中硫酸亚铁的摩尔浓度优选为0.1～0.3mol/l，更优选为0.15～0.25mol/l。在本发明实施例中，所述硫酸亚铁优选以七水合硫酸亚铁的形式加入，所述硫酸钴优选以七水合硫酸钴的形式加入。

在本发明中，所述混合溶解的方法具体优选为：将硫酸亚铁、硫酸钴和水混合进行第三超声分散，得到铁钴溶液。在本发明中，所述第三超声分散的功率优选为150～250w，更优选为200w；频率优选为20～60khz，更优选为40khz；本发明对所述第三超声分散的时间没有特别要求，能够将硫酸亚铁和硫酸钴充分溶解在水中即可。

得到锂皂石分散液和铁钴溶液后，本发明将所述铁钴溶液加入至锂皂石分散液中混合进行配位反应，得到固体沉淀。在本发明中，所述混合优选为搅拌混合，所述搅拌的时间优选为0.5～3h。本发明优选将所述配位反应所得混合料进行过滤，得到固体沉淀；所述过滤的方法优选为抽滤。本发明通过配位沉淀法将硫酸亚铁、硫酸钴和草酸钠制备草酸钴-铁草酸盐前驱体，并将锂皂石引入其中，即所述沉淀物为草酸钴-铁草酸盐前驱体和锂皂石的复合物。

得到固体沉淀后，本发明将所述固体沉淀依次进行洗涤、干燥和焙烧，得到所述锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料。在本发明中，所述洗涤优选为依次采用水和乙醇对固体沉淀进行洗涤，所述洗涤的次数独立地为3～5次。本发明通过洗涤除去固体沉淀表面的钠离子和硫酸根离子。在本发明中，所述干燥的温度优选为60～120℃，更优选为80℃；时间优选为12～24h，更优选为15～20h。本发明对所述干燥的方法没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的干燥方法即可。

所述干燥后，本发明还优选将干燥后的固体沉淀进行研磨，形成干燥粉体。

在本发明中，所述焙烧的温度优选为350～700℃，更优选为500～600℃；升温至所述焙烧温度的升温速率优选为5℃/min；所述焙烧的时间优选为1～5h，更优选为2～3h；所述焙烧优选在马弗炉中进行，具体地将所述干燥粉体置于瓷舟并转移至马弗炉中。在焙烧的过程中，固体沉淀发生分解，其中的草酸铁钴盐分解成铁酸钴，锂皂石嵌入铁酸钴纳米颗粒中。

焙烧之后，本发明优选对焙烧产物依次进行洗涤和干燥，得到锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料。在本发明中，所述洗涤优选为先用乙醇洗涤1～2次，再用水洗涤4～8次，然后再次用乙醇洗涤1～2次；所述洗涤的方法优选为倾析法洗涤，本发明对所述倾析法洗涤的操作方法没有特别的要求，采用本领域技术人员所熟知的操作方法即可。在本发明中，对所述焙烧产物干燥的温度优选为60～120℃，更优选为60～80℃；时间优选为12～24h，更优选为15～20h。

本发明提供的制备方法过程简单，条件温和，对设备要求较低，原料价格低廉、易于得到。

本发明提供了以上方案所述锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料或以上方案所述制备方法得到的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料作为磁性催化剂在催化氧化降解有机染料的应用。在本发明中，所述有机染料优选包括罗丹明b、亚甲基蓝或刚果红；所述锂皂石/铁酸钴多孔复合材料与有机染料的质量比为5～25：1～5。本发明对用于氧化所述有机染料的氧化剂没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的相应氧化剂即可；在本发明具体实施例中，用于催化罗丹明b的氧化剂为过一硫酸氢钾(pms)。与单纯的铁酸钴材料相比，本发明提供的锂皂石/铁酸钴多孔复合材料对有机染料的催化降解活性明显提高。

下面结合实施例对本发明提供的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料及其制备方法和作为磁性催化剂的应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料，其制备方法包括以下步骤：

室温下，将0.2g锂皂石粉末加入到100ml水中，第一次超声分散5min；再加入4.0g草酸钠，进行第二次超声分散10min，再进行物理搅拌60min，获得锂皂石分散液；

将20mmol七水合硫酸亚铁(feso4·7h2o)和10mmol七水合硫酸钴(coso4·7h2o)溶于60ml水中，配制成铁钴溶液；

在搅拌条件下，向锂皂石分散液中加入铁钴溶液，继续搅拌30min；搅拌结束后将混合液取出，抽滤分离沉淀，用水洗涤3次后再用乙醇洗涤3次；将洗涤后的沉淀置于80℃的烘箱中干燥12h；经充分研磨后形成干燥粉体；将粉体置于瓷舟并转移至马弗炉中，升温速率为5℃/min升温至500℃焙烧2h；焙烧所得黑色粉末采用倾析法进行洗涤，先用乙醇倾析1次，接着用水倾析5次，再用乙醇倾析1次；将洗涤后的产物置于60℃的烘箱中干燥12h，制得锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料。

实施例2

一种锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料，其制备方法包括以下步骤：

室温下，将0.6g锂皂石粉末加入到100ml水中，第一次超声分散5min；再加入4.0g草酸钠，进行第二次超声分散10min，再进行物理搅拌60min，获得锂皂石分散液；

将20mmol七水合硫酸亚铁(feso4·7h2o)和10mmol七水合硫酸钴(coso4·7h2o)溶于60ml水中，配制成铁钴溶液；

在搅拌条件下，向锂皂石分散液中加入铁钴溶液，继续搅拌30min；搅拌结束后将混合液取出，抽滤分离沉淀，用水洗涤3次后再用乙醇洗涤3次；将洗涤后的沉淀置于80℃的烘箱中干燥12h；经充分研磨后形成干燥粉体；将粉体置于瓷舟并转移至马弗炉中，升温速率为5℃/min升温至500℃焙烧2h；焙烧所得黑色粉末采用倾析法进行洗涤，先用乙醇倾析1次，接着用水倾析5次，再用乙醇倾析1次；将洗涤后的产物置于60℃的烘箱中干燥12h，从而制得锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料。

对比例

一种铁酸钴多孔纳米材料，其制备方法包括以下步骤：

室温下，将4.0g草酸钠加入到100ml水中，超声分散10min，再进行物理搅拌60min，获得草酸钠溶液；

将20mmol七水合硫酸亚铁(feso4·7h2o)和10mmol七水合硫酸钴(coso4·7h2o)溶于60ml水中，配制成铁钴溶液；

在搅拌条件下，向草酸钠溶液中加入铁钴溶液，继续搅拌30min；搅拌结束后将混合液取出，抽滤分离沉淀，用水洗涤3次后再用乙醇洗涤3次；将洗涤后的沉淀置于80℃的烘箱中干燥12h；经充分研磨后形成干燥粉体；将粉体置于瓷舟并转移至马弗炉中，升温速率为5℃/min升温至在500℃焙烧2h；焙烧所得黑色粉末采用倾析法进行洗涤，先用乙醇倾析1次，接着用水倾析5次，再用乙醇倾析1次；将洗涤后的产物置于60℃的烘箱中干燥12h，从而制得铁酸钴多孔纳米材料。

本发明将实施例制备得到的产品进行xrd测试，结果如图1所示，图1为实施例1和比较例所得样品以及锂皂石的x射线衍射(xrd)图谱，图1中(a)为比较例所得样品(铁酸钴多孔纳米材料)的x射线衍射图谱图，(b)为实施例1所的样品(锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料)的x射线衍射图谱图，(c)为锂皂石的x射线衍射图谱图。由图1可见，图1(a)中铁酸钴所有衍射峰都可以指标化为cofe2o4的衍射峰，图1(b)的衍射峰与铁酸钴峰型基本一致。

本发明将实施例制备得到的产品进行扫描电镜测试，结果如图2所示，图2为实施例1制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料样品的扫描电子显微镜(sem)照片，图2中(a)、(b)、(c)分别为放大2000倍、5000倍、30000倍的扫描电子显微镜照片。从图2中可以看出实施例1制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料样品形貌较规整，呈短柱状，颗粒表面具有多孔性，样品的平均尺寸为3.8μm×1.6μm，孔容为0.40cm³/g、孔径为14nm。实施例2制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料样品形貌与图2相似。

本发明将实施例制备得到的产品进行eds能谱分析，结果如图3所示，图3为实施例1制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料样品的eds能谱图，从图3中可以看出实施例1制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料成功地掺杂了锂皂石且各元素分布均匀。以此方法检测实施例2制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料样品，实施例2所得样品也成功地掺杂了锂皂石且各元素分布均匀。

本发明将实施例制备得到的产物进行磁性检测，结果如图4所示，图4为实施例1制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料样品和比较例所得铁酸钴样品的磁滞回线图，从图4中可以看出实施例1所得样品的磁滞环是关于原点对称的非线性磁滞回线，样品表现出了良好的磁性特征，实施例1制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料样品的饱和磁化强度为42.4emu/g，比较例所制备的铁酸钴样品的饱和磁化强度为53.9emu/g。以此方法测试得到的实施例2制备的锂皂石/铁酸钴多孔纳米复合材料样品同样表现出良好的磁性特征。

本发明将实施例制备得到的产品进行催化性能测试，测试方法为：在容积为200ml的干净玻璃烧杯中加入一磁子，再加入200ml配置好的罗丹明b水溶液(其浓度为10mg·l^-1)；接着往罗丹明b水溶液中加入10mg的待测催化剂(浓度为0.05g·l^-1)，经过5分钟的超声分散后放入水浴锅中(25℃恒温)并进行30分钟的磁力搅拌。搅拌30分钟后加入62mg的过一硫酸氢钾(pms)作为氧化剂，此时pms产生的浓度为0.5mm(罗丹明b与pms的摩尔比约为1:21)，于此同时开始计时，并在一定时间间隔(2min)内取样，直接用紫外-可见光谱仪对罗丹明b水溶液进行测试。

按上述方法分别测试实施例1与对比例样品作为催化剂的催化有机染料的性能，罗丹明b水溶液的吸收光谱随时间的变化情况如图5所示。由图5可以看出，与单纯的铁酸钴材料相比，实施例1得到的锂皂石/铁酸钴多孔复合材料对有机染料的催化降解活性明显提高。以相同的方法对实施例2制备得到的产品进行催化性能测试，结果与单纯的铁酸钴材料相比，实施例2得到的锂皂石/铁酸钴多孔复合材料对有机染料的催化降解活性也明显提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。