[发明专利]一种纳米层状水锰矿吸附剂、其制备方法及用途

说明书

本发明公开了一种纳米层状水锰矿吸附剂，其组成为M_xMnO_y·zH₂O，其中M为纳米层状水锰矿吸附剂的插层离子；本发明还公开了所述纳米层状水锰矿吸附剂在室温中性条件下的制备方法和用于吸附重金属离子污染物的用途。本发明的纳米层状水锰矿吸附剂对水溶液中重金属离子污染物的吸附能力是活性炭10倍以上。

技术领域

本发明属于环境及纳米材料领域，具体涉及一种纳米层状水锰矿吸附剂、其室温制备方法及其应用。

背景技术

锰的自然资源丰富，在地壳中的丰度为0.085％，价格低廉且无毒。锰是常见的变价金属元素，氧化锰矿物晶体结构的骨架是[MnO₆]八面体，Mn原子位于八面体中心，六个氧原子位于八面体顶角，其通过共棱连接形成单链，这些单链之间通过共棱或共角顶氧的方式形成不同晶体结构的氧化锰。水锰矿是一类二维层状锰氧化物，在自然界中广泛存在于土壤及沉积物中，层间距约0.7nm，其片层由锰氧八面体共边构成，层间由水分子、金属离子占据填充。层结构上每隔6个锰氧八面体就有一个空位，使得整个八面体层带负电荷，嵌入层间的阳离子通过静电作用保持层状结构的稳定。由于水锰矿型锰氧化物具有的特殊层状结构，在很多领域有着重要的应用，如做为分子筛、离子交换器、高效催化剂、磁性材料、二次电池电极材料、电化学、选择性吸附剂等。

水锰矿锰氧化物常见的合成方法有水热法、溶胶-凝胶法、回流法和高温固相化学反应法等。水热法一般在100～300℃间温度条件下完成反应，该方法将无机锰盐溶解于水中，加入一定量的碱或酸，经搅拌后，转移到高压釜中，控制反应温度和时间得到不同形貌的水锰矿。例如V.Subramanian等(J.Phys.Chem.B2005,109,20207-20214)采用水热法合成了多种层状氧化物，并研究了不同条件合成的水锰矿比表面积和孔结构性能。水热法相对于其它方法，可获得纯度高的氧化物，难度在于控制反应压力，对反应物原料配比和纯度也有一定的要求。溶胶-凝胶法合成锰氧化物原理简单，但受溶剂、加水量、陈化时间和锻烧温度等影响，因而对合成反应条件要求较高。N.Baffier等(J.Power Sources 109(2002)262D.)采用溶胶凝胶法合成了Na-型水锰矿，并研究了其电化学性能。Guyomard等(Electro.Acta 54(2009)1240–1248)采用盐酸等无机酸在酸性条件下回流还原高锰酸钾的方法制备了结构可控的水锰矿，并研究了其储能性能。回流法多用无机酸碱控制合成不同组成的水锰矿，引发二次污染。高温固相反应制备层状锰氧化物得到的水锰矿层状结构比其它任何结构具有更大的可逆的钾嵌入能力，例如Sa Heum Kim等(Chem.Mater.1999,11,557-563)采用高锰酸钾热分解制备了纳米K-型水锰矿，并研究了其电化学性能。但迄今为止，还未发现在室温中性条件下通过简单氧化还原制备得到纳米级的层状水锰矿锰氧化物。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供了一种纳米层状水锰矿吸附剂，及室温中性条件下通过简单氧化还原制备方法，避免了酸碱及高温条件的使用，得到的水锰矿粒径可以控制在10～100nm，比表面积高达100m²/g以上，孔容高达0.5cm³/g以上，吸附性能有明显提高。

本发明第一方面公开了一种纳米层状水锰矿吸附剂，其组成为M_xMnO_y·zH₂O，其中M为所述纳米层状水锰矿的插层离子。优选地，x为0.2～0.6，y为1.3～2.0，z为0.45～1。

优选地，所述插层离子为碱金属或碱土金属离子，所述碱金属或碱土金属离子为Li、Na、K、Rb、Mg、Ca、Sr离子中的一种或几种。

优选地，所述纳米层状水锰矿粒径为10～100nm，层间距为0.6～1.0nm，比表面积在100m²/g以上，孔容在0.5cm³/g以上。