MgAl-LDH基材料的制备及表征

发布时间：2020-10-08 17:56

　　层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides,LDH)又被称为水滑石材料,经过近几年的发展已经逐渐进入了商业化生产阶段。LDH主要应用于吸附、催化和药物载体等方面。其中Mg/Al-LDH因其性质稳定,成本低廉,对环境污染小以及制备工艺简单等优点而被广泛应用于污染物吸附和分离等方面。由于材料本身的局限性,Mg/Al-LDH对污染物的吸附能力较低并且对污染物的处理功能比较单一。因此,Mg/Al-LDH的优化和LDH复合材料的制备对替代传统吸附材料具有重大的意义。本文主要围绕Mg/Al-LDH的制备、三元Mg/Al/Fe-LDH的制备以及吸附-光催化LDH复合材料的制备三个方面开展了以下工作。采用共沉淀法合成Mg/Al-LDH样品,探究pH值、超声环境和碱源种类对样品形貌和所制备样品对刚果红溶液吸附性能的影响。实验结果表明:样品尺寸随反应体系中pH值的增加而增大,但吸附性能随之下降;在Mg/Al-LDH生长过程中,超声条件有利于减小样品尺寸并使样品形貌变得更加规则;以氨水和三乙醇胺作为碱源获得的样品对刚果红溶液具有极强的吸附能力,最大吸附容量分别为1000 mg/g和1042.67 mg/g,样品在10 min左右便可达到最佳吸附效果。此外,以尿素作为碱源采用水热法获得了螺旋生长的片状LDH并通过加入适量的表面活性剂(SDS)获得了花球状LDH。采用热力学模型对不同形貌的样品分析发现,样品的吸附过程中属于吸热反应。对水热法获得的Mg/Al-LDH进行部分阳离子取代,通过Fe(Ⅲ)对Al(Ⅲ)部分取代最终获得了吸附性能优异的三元Mg/Al/Fe-LDH。将Mg/Al/Fe-LDH的吸附性能与同种方法制备的Mg/Al-LDH进行对比,样品对刚果红溶液(400 mg/L)的吸附率由72.67%提升至98.56%,Fe(Ⅲ)的引入使LDH对刚果红溶液的吸附性能明显提高,样品最大吸附容量可达943 mg/g,样品在20 min左右便可达到最佳吸附效果;对Mg/Al/Fe-LDH的重复使用性测试发现,七次循环后样品对刚果红溶液(500 mg/L)的吸附效率仍在90%以上。Mg/Al/Fe-LDH对浓度为50 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液的吸附容量为35.82 mg/g,样品在30 min左右便可达到最佳吸附效果。此外,通过Fe(Ⅲ)取代Al(Ⅲ)减少了LDH内的Al(Ⅲ)含量,这有利于降低LDH在实际使用中的铝污染。采用水热法分别获得了TiO_2@LDH和Cu_2O/LDH复合材料,将其应用于甲基橙溶液的降解,并对可能的降解机理进行了描述。实验结果表明,所获得的复合材料具有一定的吸附-降解效果。这使得材料在实际应用中省去了定期回收和解吸附的环节,不仅降低了使用成本,对于传统吸附材料的替代也具有巨大的潜力。
【学位单位】：齐鲁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33;X703
【部分图文】：

示意图,板层,结构示意图,立体结构

图 1.1 LDH 结构示意图 (a) LDH 立体结构示意图 (b) LDH 板层基元 (c) LDH 板层基元结构示意图 (d) LDH 主体板层结构示意图 (e) LDH 主体板层结构示意图如图 1.1 所示，图 1.1(a)表示 LDH 立体结构示意图。图 1.1(d)是 LDH 主体板层的示意图，通过对板层上的八面体局部放大可得到图 1.1 (b)和(c)，其结构由二价或三价的中心阳离子和顶点 OH 构成的。图 1.1 (e)是对图 1.1 (d)内部结构的进一步剖析图。LDH 的化学通式为[M2+1-xM3+x(OH)2]x+(An-)x/n·mH2O，式中 M2+、M3+分别是二价、三价金属阳离子；An-是层间阴离子[6-7]。x 表示 M3+在整个 LDH 中所占的金属离子物质的量的百分比，n 表示了每个阴离子基团所带的电荷量，m 表示层间水分子的数目。M3+在板层中的分布密度对 LDH 的吸附性能有直接性影响。以 Mg/Al-CO32--LDH 为例，位于板层上的 Mg2+可以在一定比例范围内被离子半径相近的 Al3+同晶取代，从而使得 LDH 主体板层带上正电荷；而层间分布的客体 CO32-可以与层板电荷相平衡，使 LDH 整体呈现电中性。通常情况下，LD的板层之间除存在阴离子基团外还存在一部分客体水分子。

流程图,实验装置图,流程图,蒸馏水

图 3.1 Mg/Al-LDH 在制备流程图(A)和实验装置图(B)2.2 不同 pH 下 Mg/Al-LDH 的制备为了探究不同 pH 值对样品的影响，通过单一变量法进行了如下实验：（1）取 0.03 mol Mg(NO3)2·6H2O 和 0.01 mol Al(NO3)3·9H2O 各三份并分别入 50 mL 蒸馏水中充分溶解，标记为 A1、A2、A3（合称 A 液），并将 A 液转至滴液漏斗中备用；（2）取 0.05 mol NaOH 三份并分别溶于 50 mL 蒸馏水中，标记为 B1、B2、（合称 B 液），并将 B 液转移至双口梨形漏斗中 60 °C 水浴至温度均匀；（3）将A液分别以相同滴加速度均匀滴入对应的 B液之中，并用2 mol/L 的OH(aq) 调节体系的中 pH 值分别为 8、10 和 12，之后将反应体系升温至 80 °C，浴回流 8 h，使目标产物充分晶化；（4）将获得的产物用蒸馏水洗涤并低速离心（4000 r/min，5 min），之后洗净的产品在-10 °C 中预冻 6 h 后转移至冷冻干燥机中冻干，将产物依次命为 MA-LDH1、MA-LDH2和 MA-LDH3。

水热法合成,实验流程

声环境中 Mg/Al-LDH 的制备探究超声环境对 Mg/Al-LDH 样品的影响设计了如下实验：）取 0.03 mol Mg(NO3)2·6H2O 和 0.01 mol Al(NO3)3·9H2O 加入分溶解，标记为 A6液，并将 A6液转移至滴液漏斗中备用；）取 0.05 mol NaOH 溶于 50 mL 蒸馏水中，标记为 B6液，并梨形漏斗中 60 °C 水浴至温度均匀；）将 A 液分别以相同的滴加速度均匀滴入对应的 B6液之中，并用(aq) 分别将反应体系的 PH 值调为 10，并将反应体系升温至充分晶化，整个过程中均需要在超声条件下进行；）将获得的产物用蒸馏水洗涤并低速离心（4000 r/min，5 min样品在-10 °C 中预冻 6 h 后转移至冷冻干燥机中冻干，并将A-LDH6。）收集样品，密封储存。热法制备 Mg/Al-LDH

【参考文献】