一種以普魯士藍(lán)為原料合成含鐵類水滑石的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了屬于無機(jī)納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域的一種利用顏料普魯士藍(lán)與二價(jià)金屬鹽制備含鐵類水滑石的方法。本發(fā)明專利技術(shù)選用普魯士藍(lán)為原料，與有機(jī)酸以一定比例混合溶解，然后利用普魯士藍(lán)在溶液中釋放的Fe3+離子，與二價(jià)金屬離子在堿性環(huán)境下共沉淀反應(yīng)，制備出含F(xiàn)e3+的類水滑石；所制備的含F(xiàn)e3+的類水滑石的晶粒尺寸為納米級(jí)別，且納米級(jí)別均勻分散。采用該方法制備的含鐵類水滑石既具有普魯士藍(lán)的電化學(xué)性質(zhì)，又具有類水滑石的電化學(xué)活性，比起單一組分的水滑石的電化學(xué)性能有著顯著提高。將本發(fā)明專利技術(shù)制備的含鐵類水滑石作為電容材料，對(duì)其循環(huán)性能進(jìn)行充放電測試，發(fā)現(xiàn)其具有很好的可逆放電容量和穩(wěn)定的循環(huán)性能，在電化學(xué)領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于無機(jī)納米材料制備
，特別涉及涉及一種利用顏料普魯士藍(lán)與二價(jià)過渡金屬鹽制備含鐵類水滑石的方法。
技術(shù)介紹
類水滑石(LDHs )，又稱為層狀復(fù)合金屬氫氧化物，是一種陰離子型粘土，其化學(xué)通式是x+(An_)x/n ^yH2O，其中Mn和Mm分別為二價(jià)和三價(jià)金屬陽離子，位于主體層板上；An_為層間陰離子；Χ*ΜΠΙ/(ΜΠ+ΜΠΙ)的摩爾比值；7為層間水分子的個(gè)數(shù)。LDHs由于其層狀結(jié)構(gòu)、使得層板元素具有可調(diào)變性，層間陰離子具有可交換性。這種在化學(xué)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出來的特殊性質(zhì)不但使其具有離子交換性能，而且在電化學(xué)、催化、吸附、離子交換、光學(xué)材料、生物傳感技術(shù)等領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用。近年來，LDHs因其在堿性電解液中表現(xiàn)出良好的超電容特性，被作為一類極具發(fā)展?jié)摿Φ某?jí)電容器電極材料而成為眾多科研工作者的研究焦點(diǎn)。目前，制備具有良好電化學(xué)性能的LDHs超級(jí)電容器電極材料的方法很多，其中一類典型的方法是構(gòu)筑具有微/納結(jié)構(gòu)的LDHs電容器電極材料。該方法可有效結(jié)合納米材料和微米材料的各自優(yōu)點(diǎn)，即發(fā)揮納米材料的動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)和微米材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性，得到性能優(yōu)異的電容器電極材料。例如Shao等制備了核-殼、蛋黃-殼、中空結(jié)構(gòu)的NiAl-LDH，研究發(fā)現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)的NiAl-LDH在超級(jí)電容器性能應(yīng)用方面具有較高的比電容，良好的充放電 循環(huán)性能(Chem.Mater.2012, 24，1192-1197)。然而，單一組分納/微結(jié)構(gòu)的性能提高程度有限，遠(yuǎn)不能滿足超級(jí)電容器的實(shí)際應(yīng)用需求。近年來，納米碳材料，如碳納米管和石墨烯，通過作為載體或基質(zhì)與NiAl-LDH復(fù)合，獲得了超級(jí)電容器性能明顯改善的NiAl-LDH/碳復(fù)合體系，以其顯著的電化學(xué)優(yōu)勢(shì)成為研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)(Energy Fuels2010，24，3346 - 3351; Chem.Mater.2010，22，974 - 987)。例如 Gao 等利用片狀石墨烯為載體，將NiAl-LDH片生長在石墨烯表面，明顯提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，從而使該復(fù)合材料的比電容顯著增大，經(jīng)2000圈后循環(huán)性能仍然穩(wěn)定(Chem.Mater.2011, 23，3509-3516)。盡管這類LDH/碳復(fù)合材料在性能方面有所提高，但如何高效利用復(fù)合組分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多步驟的反應(yīng)過程和多種參數(shù)的調(diào)控，發(fā)展一類組分易調(diào)變、步驟簡單的合成方法制備出LDHs性能良好的超級(jí)電容器復(fù)合材料，是當(dāng)今電化學(xué)領(lǐng)域一個(gè)值得探索的課題。普魯士藍(lán)(Prussian Blue，化學(xué)名稱:亞鐵氰化鐵；結(jié)構(gòu)式=Fe4 3)作為顏料分子，因色澤鮮艷，著色力強(qiáng)，廣泛用于造漆、油墨、繪畫顏料和蠟筆、涂飾漆布、漆紙以及塑料制品的著色。近年來，由于普魯士藍(lán)膜及其類似物在電色顯示、電催化和固體電池、分子磁體研究等方面具有諸多應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。利用普魯士藍(lán)為原料合成含鐵類水滑石，不僅可以探索出新穎、簡便的方法制備出含鐵類水滑石，并且可綜合利用類水滑石及普魯士藍(lán)的電容性能，在電化學(xué)領(lǐng)域擁有很大的潛力。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種以顏料普魯士藍(lán)和過渡態(tài)二價(jià)金屬鹽為原料，合成含鐵類水滑石的新型制備方法。本專利技術(shù)選用普魯士藍(lán)為原料，與有機(jī)酸以一定比例混合溶解，然后利用普魯士藍(lán)在溶液中釋放的Fe3+離子，與二價(jià)金屬離子在堿性環(huán)境下共沉淀反應(yīng)，制備出含F(xiàn)e3+的類水滑石；所制備的含F(xiàn)e3+的類水滑石的晶粒尺寸為納米級(jí)別，且納米級(jí)別均勻分散；所述含F(xiàn)e3+的類水滑石的化學(xué)通式為< X < 0.33;η為結(jié)晶水的數(shù)量，0.1 < η < 10，其中M是Mg2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+、Co2+、Ca2+中的一種或幾種。本專利技術(shù)所述的以普魯士藍(lán)為原料合成含鐵類水滑石的方法，其具體制備步驟如下:I)、稱取0.02-0.20mol的普魯士藍(lán)，然后按照有機(jī)酸與普魯士藍(lán)的摩爾比為(1:10)-(5:1)稱取有機(jī)酸，將兩者投入到IOOmL去離子水中，攪拌并超聲30_60min，直至形成穩(wěn)定均一的藍(lán)色溶液；然后按普魯士藍(lán)與二價(jià)金屬鹽摩爾比為(2:3)-(7:3)稱取二價(jià)金屬鹽并加入到上述溶液中，攪拌、超聲至溶解；2)、稱取NaOH和Na2CO3溶解在去離子水中配成混合堿溶液，其中n (NaOH) /=0.8-4.5，n (Na2CO3) / =1.0-4.5，NaOH濃度為1.0-5.5mol/L, n(NaOH)、η( 二價(jià)金屬鹽)、η(普魯士藍(lán))、n(Na2CO3)分別為氫氧化鈉、二價(jià)金屬鹽、普魯士藍(lán)、碳酸鈉的摩爾數(shù)；將混合堿溶液滴加至步驟I)配制的溶液中直至ρΗ=9-10，然后在80-100°C下攪拌反應(yīng)24_48h，用去離子水離心洗滌至pH值為7_8，然后在60-150°C下干燥6 - 48h，即得含鐵類水滑石。所述的有機(jī)酸為檸`檬酸、乙酸、草酸、甲酸中的一種或幾種。所述的二價(jià)金屬鹽為可溶性鎂鹽、可溶性鎳鹽、可溶性鋅鹽、可溶性銅鹽、可溶性鈷鹽、可溶性鈣鹽中的一種或幾種。上述制備的含鐵類水滑石作為電容材料的應(yīng)用。本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于將顏料普魯士藍(lán)應(yīng)用于含鐵類水滑石的制備，且制備方法簡單、可行。本專利技術(shù)以普魯士藍(lán)為原料合成含鐵類水滑石經(jīng)電化學(xué)測試后，比起單一組分的水滑石的電化學(xué)性能有著顯著提高。采用這種新型方法制備的含鐵類水滑石既具有普魯士藍(lán)的電化學(xué)性質(zhì)，又具有類水滑石的電化學(xué)活性。將本專利技術(shù)制備的含鐵類水滑石作為電容材料，對(duì)其循環(huán)性能進(jìn)行充放電測試，發(fā)現(xiàn)其具有很好的可逆放電容量和穩(wěn)定的循環(huán)性能，在電化學(xué)領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力。附圖說明圖1是實(shí)施例1所制備的含鐵類水滑石的SEM圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步的描述:實(shí)施例1A:稱取2g普魯士藍(lán)粉體，根據(jù)普魯士藍(lán)與甲酸摩爾比為1:3稱取1.04g甲酸，將兩者溶解于IOOmL去離子水中，攪拌并超聲30min至形成穩(wěn)定均一的藍(lán)色溶液；稱取0.5gCo (NO3)2.6H20溶于上述藍(lán)色溶液中，攪拌、超聲至溶解；B:稱取NaOH和Na2CO3溶解在去離子水中配成混合堿溶液，其中n(NaOH)/=2.2，η (Na2CO3) / =2.5，NaOH 濃度為1.5mol/L, n (NaOH)、η (Co2+)、η (普魯士藍(lán))、η (NaCO3)分別為氫氧化鈉、鈷離子、普魯士藍(lán)、碳酸鈉的摩爾數(shù)，將堿溶液緩慢滴加至步驟A配制的溶液中直至ρΗ=9.5，然后在80°C下攪拌反應(yīng)24h，離心洗滌直至pH值為7，然后在80°C下干燥40h后，即得含鐵類水滑石，并放入真空干燥器中保存。實(shí)施例2A:稱取1.5g普魯士藍(lán)粉體，根據(jù)普魯士藍(lán)與草酸摩爾比為1:5稱取0.780g草酸，將兩者溶解于IOOmL去離子水中，攪拌并超聲30min至形成穩(wěn)定均一的藍(lán)色溶液，稱取0.375gCo (NO3)2.6 H20溶于上述藍(lán)色溶液中，攪拌、超聲至溶解；B:稱取NaOH和Na2CO3溶解去離子水中配成混合堿溶液，n(NaOH)/=3.0，n (Na2CO3) / =2.5，NaOH 濃度為3.5mol/L, n (NaOH)、n (Co2+)、η (普魯士藍(lán))、n (NaCO3)分別為氫氧化鈉、鈷離子、普魯士藍(lán)、碳酸鈉的摩爾數(shù)，將堿溶液緩慢滴加至步驟A配制的溶液中直至ρΗ=9，然后在本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種以普魯士藍(lán)為原料合成含鐵類水滑石的方法，其特征在于，該方法為：選用普魯士藍(lán)為原料，與有機(jī)酸以一定比例混合溶解，然后利用普魯士藍(lán)在溶液中釋放的Fe3+離子，與二價(jià)金屬離子在堿性環(huán)境下共沉淀反應(yīng)，制備出含F(xiàn)e3+的類水滑石；所制備的含F(xiàn)e3+的類水滑石的晶粒尺寸為納米級(jí)別，且納米級(jí)別均勻分散；所述含F(xiàn)e3+的類水滑石的化學(xué)通式為：[M1?xFex(OH)2]x+(CO32–)x/2·nH2O，其中，0.2﹤x﹤0.33；n為結(jié)晶水的數(shù)量，0.1﹤n﹤10，其中M是Mg2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+、Co2+、Ca2+中的一種或幾種。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：徐賽龍，魯曉偉，霍瑞潔，張法智，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京化工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：