[发明专利]一种规模化制备单层水滑石纳米片材料的方法

说明书

本发明公开了一种规模化制备单层水滑石纳米片材料的方法。本发明采用易于水滑石工业化规模生产的全返混旋转液膜反应器(胶体磨)，利用水滑石层板金属种类可调的性质，一步快速合成了系列尺寸分布均匀的单层水滑石纳米片。通过在全返混旋转液膜反应器中，利用转子和定子间超薄的空间，在较大的旋转速度下，剧烈循环搅拌，此外在水滑石Z轴方向添加少量生长抑制剂，成核反应瞬间形成大量尺寸小而均一的单层水滑石纳米片。该制备方法条件温和，可在单层水滑石合成中普遍使用，操作简便，工艺简单，成本低廉，这是首次用全返混旋转液膜反应器精准合成单层水滑石纳米片，并有望规模化量产单层水滑石。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种规模化制备单层水滑石纳米片材料的方法。

背景技术

水滑石(Hydrotalcite)，由层间阴离子与带正电的层板有序组装而成的化合物。其主体层板由两种金属的氢氧化物构成，因此又称为层状双羟基复合金属氧化物(LayeredDouble Hydroxides,简写为LDHs)。LDHs是一类重要的阴离子型无机层状材料，层板的二价和三价金属阳离子在层板高度分散，层间阴离子以静电作用，范德华作用力等平衡主体层板电荷。因为LDHs的特殊的结构特性决定了其层板上金属元素的种类，比例以及层间阴离子具有丰富的可调控性，使得其具有良好的催化作用，如合成氨，CO₂还原反应，电解水等。最近，随着纳米材料的发展，超薄甚至单层材料相比于大块材料因为大的比表面积和含有高度暴露的配位不饱和位点，极大地提高了催化性能；同时单层纳米片可作为组装基元构筑复合材料，因而引起了人们广泛关注。

目前研究者们已经开发了一系列实验室方法用于合成单层水滑石，分为“自上而下”(top-down)合成法以及“自下而上”(bottom-up)合成法两大类。自上而下方法主要采用液相剥离，先得到比较厚的水滑石片，再用甲酰胺、甲苯、氨基酸、氯仿等溶剂进行剥离。这类方法耗时长，且一般需要使用过量的有机溶剂。自下而上法主要包括反相微乳液法和共沉淀法。反相微乳液法需要在表面活性剂辅助下合成，后期表面活性剂清洗困难易残留；而共沉淀法仍需要添加有机溶剂，此外部分还需要特殊的环境温度(较高的温度或非常低的温度)下完成单层LDH合成，且两种方法同时存在产量低，很难大规模制备的问题。

段雪院士等人在2002年提出了成核晶化隔离法，即在胶体磨反应器中，在剧烈搅拌下，将金属盐溶液和碱溶液同时迅速加入，经过快速搅拌完成，可得到粒径分布均一的水滑石，此方法目前已实现大块水滑石的规模化生产。但单层水滑石的规模化生产却面临很多问题，在胶体磨反应器中，晶核的形成和生长同时发生，因此晶粒的厚度，尺寸会产生较大影响。溶液在定子和转子之间受高速流体剪切力和高压摩擦影响，形成一层薄薄的液体膜并受到强烈的振动，虽容易得到粒径分布均匀的水滑石，但层板堆叠受到转速，溶液浓度等众多因素的影响，使得单层水滑石很难制备。因此，如何利用胶体磨反应器，开发一种高效的易于规模化生产单层水滑石的方法具有很大挑战和意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种规模化制备单层水滑石纳米片材料的方法。本发明通过在全返混旋转液膜反应器(胶体磨)中添加少量的层板生长抑制剂，在胶体磨中剧烈循环搅拌的强大剪切力场的作用下得到粒径均一的单层水滑石纳米片。相比于其他方法，环保节能、普遍适用且产品可宏量制备，有利于缩短实验室研究和工业化应用的差距。

本发明所述的规模化制备单层水滑石纳米片材料的方法为：

1)配制总浓度为0.01-1.00M的可溶二价金属盐和可溶三价金属盐混合溶液20-120mL；配制浓度为0.05-0.5M的碱溶液10-60mL；配制层板抑制剂溶液20-100mL；

2)室温下，在全返混旋转液膜反应器的500-6000rpm转速下，将步骤1)配制的可溶二价金属盐和可溶三价金属盐混合溶液、碱溶液和层板抑制剂溶液同时加入，保持旋转10s-5min，得到的浆液离心，沉淀分别用乙醇、水离心洗涤至中性，即得到单层水滑石纳米片材料。