[发明专利]一种亚10纳米无定形金属化合物复合材料的简易制备方法

说明书

本发明公开了一种亚10纳米无定形金属化合物复合材料的简易制备方法，属于纳米复合材料合成技术与水处理应用领域。本发明以凝胶树脂为载体，采用“前驱体导入‑纳米网孔成核”技术实现金属化合物在凝胶树脂内部的快速成核和限域生长，所获得的纳米金属尺寸均小于10纳米，且分散良好。本发明具有成本低廉、操作简便、易于大规模生产等特点，解决了目前亚10纳米金属化合物难以规模化生产的不足。本发明所公开的方法可适用于水合氧化铁、水合氧化锰、水合氧化锆、零价铁、银等在内的多种亚10纳米颗粒的制备，所得材料在包括水处理在内的众多领域都有较为广阔的应用空间。

技术领域

本发明属于纳米复合材料合成技术与水处理应用领域，更具体地说，涉及一种亚10纳米金属化合物的简易制备方法

背景技术

由于具有极小的物理尺寸和极高的比表面积，纳米材料表现出多种不同于宏观物质的性质，表面活性较高，常表现出对重金属、砷、氟、磷等多种污染物的特异性吸附去除性能。当颗粒尺寸降低到10纳米左右时，材料比表面积急剧增加，电子排布与体相材料迥然不同，对污染物的吸附活性显著提高。Yavuz等人发现，将Fe₃O₄颗粒尺寸由300纳米降低到20纳米时，对砷酸盐的吸附容量由0.02mg/g提升到25mg/g；将颗粒尺寸进一步降低到亚10纳米级别时，吸附容量则显著提升至160mg/g(Science，2006，314，5801，964)。由于亚10纳米材料独特的电子结构与反应活性，如何快速高效制备该类材料已成为纳米科技领域的研究重点与难点之一。Park等人通过调节铁盐与有机配体的比例及反应温度，成功制备了尺寸分布较窄的纳米铁颗粒(J.Am.Chem.Soc.2001，123，12，798)。Piella等人通过研究柠檬酸盐还原法成功制备窄尺寸分布的纳米金颗粒，所得纳米颗粒具有良好的生物相容性(Chem.Mater. 2016，28，4，1066)。然而，现有制备方法所得纳米颗粒均具有形状规则、结晶良好等特点，表面自由能偏低，与目标污染物的作用位点偏少、作用强度较弱。大量研究表明，无定形金属化合物纳米材料表面不饱和键明显多于结晶良好的同类材料，在水处理中通常表现出更为优越的除污性能(Geochim.Cosmochim.Acta，1993，57，10，2251)。

另一方面，纳米颗粒材料尺寸过小，在实际水处理中面临易团聚失活、操作困难、潜在流失风险等工程应用瓶颈。为了克服以上问题，纳米颗粒材料常被负载于大颗粒载体材料内，在保留高除污活性的同时具备高稳定性与易操作性(Chem.Soc.Rev.，2013，42，8，3371)。近年来，南京大学潘丙才教授研究团队以大孔型离子交换树脂为载体，通过“前驱体导入-纳米网孔成核”技术成功制备了多种树脂基复合纳米材料(ZL 201110203814.1；ZL201010139529.3； ZL 200610041365.4；ZL 200510095177.5)，可成功克服纳米金属氧化物稳定性差、生产成本高，产量较低等问题，所得复合材料中纳米颗粒以无定形结构存在，已成功应用于水处理实际工程中。然而，大孔型离子交换树脂普遍具有孔结构无序、孔径分布较宽等特点，孔径主要分布在几十甚至数百纳米范围内，因而在孔内限域生长形成的纳米颗粒尺寸偏大，对污染物的去除活性有待进一步提高。

综上，开发简便易行、成本低廉、易于大规模生产的亚10纳米无定形金属化合物的制备方法，对于提升水处理纳米材料工作性能、推动该类材料实用化具有重要意义。

发明内容

发明目的：针对目前亚10纳米无定形金属化合物的制备难题，本发明提出一种新型制备方法，具有简便易行、成本低廉、易于大规模生产等特点。

技术方案：本发明所采用的技术方案如下：

本发明的步骤如下：

(1)称取一定质量凝胶型离子交换树脂，加入到溶液a中，室温下机械搅拌6-24h。

(2)将材料取出，加入到溶液b中，机械搅拌6-24h后将材料取出，用去离子水冲洗至中性。