專利名稱：一種由磁性核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由磁性核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的合成及研究在納米技術(shù)領(lǐng)域備受矚目。由于其具有獨特的形貌和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，芯殼結(jié)構(gòu)微納米球在很多領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價值，包括鋰離子電池正極材料、催化劑載體、氣體傳感器、藥物傳輸及控制釋放以及環(huán)境水污染治理。環(huán)境水污染尤其重金屬離子Pb2+、Cd2+、Hg2+等產(chǎn)生的水污染問題是世界范圍內(nèi)普遍關(guān)注的環(huán)境問題。重金屬離子可以通過沉淀、吸附及食物鏈而不斷富集，破壞生態(tài)環(huán)境，并最終危害到人類的健康。目前，在去除水污染重金屬離子的方法中，吸附法被認為是去除重金屬離子一種有效方法，各種納米吸附劑碳納米管、金屬氧化物納米材料等廣泛用于去除污染水中的重金屬離子，但是這些納米吸附劑具有吸附容量小、難分離、易團聚等缺點，限制它們在現(xiàn)實環(huán)境中的應(yīng)用。多孔硅酸鹽納米材料具有較大的比表面積、無毒、易于表面修飾和對重金屬離子具有較強的吸附等性質(zhì)，在環(huán)境治理方面具有潛在的應(yīng)用價值；目前不同形貌的硅酸鹽納米片、納米管、空心球等受到人們的廣泛關(guān)注。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種形貌獨特，并且對重金屬離子具有較好吸附效果的磁性芯殼結(jié)構(gòu)硅酸鎂微納米球制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)提供了一種由磁性核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的制備方法，利用核殼結(jié)構(gòu)Fe3O4OSiO2微納米球作為化學(xué)模板，通過微波快速加熱的方法快速制備出由磁性核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)的微納米球。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種由磁性核和娃酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的制備方法，其特征在于包括以下步驟
(1)單分散四氧化三鐵納米球的制備4.0-6. Ommol的六水氯化鐵和3. 0-4. Og的醋酸鈉加入40-50ml的乙二醇溶液，攪拌l_2h形成混合均勻的溶液，緊接著加入1. 0-2. Og聚乙烯，攪拌30-40min，加熱上述溶液至180-200°C并保溫7_8h ;反應(yīng)完畢，自然冷卻，取出反應(yīng)產(chǎn)物，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌，最后將產(chǎn)物放入干燥箱，在65-75°C干燥5-8小時，即得產(chǎn)物單分散四氧化三鐵納米球；
(2)芯殼結(jié)構(gòu)Fe3O4OSiO2微納米球制備0.1-0. 3g Fe3O4納米球放到20_30ml去離子水中超聲至其分散均勻，緊接著再加入SO-1OOml無水乙醇和3. 0-4. Oml濃氨水，攪拌，至上述溶液混合均勻；接著再逐滴加入2. 0-3. Oml正硅酸乙酯，在室溫下攪拌5-6h ;反應(yīng)完畢，分離出反應(yīng)產(chǎn)物，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌，最后將產(chǎn)物在65-75°C干燥5-8小時，SP得產(chǎn)物芯殼結(jié)構(gòu)Fe3O4OSiO2微納米球；
(3)磁性芯核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的制備0. 70-0. 80mmol六水氯化鎂和8-10mmol氯化銨加入30_40ml去離子水中，攪拌至均勻形成透明溶液,接著再加入O. 8-1. Oml濃氨水；然后O. 08-0.1OgFe3O4OSiO2微米球和15_20ml去離子水混合加入上述溶液超聲至均勻分散，加熱上述溶液至150-160°C并保溫30-40min ;反應(yīng)完畢，自然冷卻，取出反應(yīng)產(chǎn)物，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌，最后將產(chǎn)物在65-75°C干燥5-8小時，即得最終產(chǎn)物四氧化三鐵磁性芯核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球。所述的制備方法，其特征在于步驟2和步驟3中所用的濃氨水為25%_28%的氨水溶液。本發(fā)明具有以下優(yōu)點
本方法制備的由磁性芯核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球，不僅具有獨特的形貌結(jié)構(gòu)而且具有較大的比表面積；同時制備方法新穎，利用微波法快速制備，具有磁性核，也解決了納米吸附劑難分離的問題。這種材料不僅對重金屬離子具有較好的去除效果，而且在催化、氣敏、藥物釋放、鋰電池、分子篩、氣體吸收與分離等領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用前景。
具體實施例方式實施例
一種由磁性核和娃酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的制備
(O單分散四氧化三鐵納米球的制備5mmol的六水氯化鐵和3. 6g的醋酸鈉加入40ml的乙二醇溶液，磁力攪拌2h形成混合均勻的溶液，緊接著加入1. Og聚乙烯，磁力攪拌30min，然后將上述混合溶液放入體積為70ml的聚氟乙烯高壓釜中；把聚氟乙烯高壓釜放入鼓風(fēng)干燥箱中加熱到200°C并保溫8h ;反應(yīng)完畢，至聚四氟乙烯高壓釜自然冷卻后，取出反應(yīng)產(chǎn)物，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌，最后將產(chǎn)物放入真空干燥箱65-75°C干燥5-8小時，即得最終產(chǎn)物為分散性很好的四氧化三鐵納米球。(2)芯殼結(jié)構(gòu)Fe3O4OSiO2微納米球制備0. 2g Fe3O4納米球加到20ml去離子水中超聲至其分散均勻，緊接著再加入IOOml無水乙醇和3ml濃氨水(25%_28%)，然后將上述混合溶液轉(zhuǎn)移到三口燒瓶中，機械攪拌至上述溶液混合均勻；接著再逐滴加入2ml正硅酸乙酯(TEOS)在室溫下機械攪拌6h;反應(yīng)完畢，分離出反應(yīng)產(chǎn)物，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌，最后將產(chǎn)物放入真空干燥箱65-75°C干燥5-8小時，即得最終產(chǎn)物為芯殼結(jié)構(gòu)Fe3O4OSiO2微納米球。(3)磁性芯核和娃酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的制備0. 75mmol六水氯化鎂和IOmmol氯化銨加入30ml去離子水中，磁力攪拌至均勻形成透明溶液,接著再加入O. 8ml濃氨水(25%-28%);然后O. 08gFe304iSi02微米球和20ml去離子水混合加入上述溶液超聲至均勻分散，接著將上述混合溶液轉(zhuǎn)移到體積為IOOml的聚氟乙烯高壓釜中；把聚氟乙烯高壓釜放入微波加熱儀中加熱到160°C并保溫30min ;反應(yīng)完畢，至聚四氟乙烯高壓釜自然冷卻后，取出反應(yīng)產(chǎn)物，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌，最后將產(chǎn)物放入真空干燥箱65-75°C干燥5-8小時，即得最終產(chǎn)物為由四氧化三鐵磁性芯核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球。
相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果有:其一，上述制備方法得到的由四氧化三鐵磁性芯核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球，具有較大的比表面積；其二，通過微波快速加熱，縮短反應(yīng)時間，操作簡單，無需去除模版；其三，此材料具有較強的磁性，用于污水治理方面回收比較方便，而對重金屬鉛離子具有較好的去除效果。對合成的磁性芯殼結(jié)構(gòu)硅酸鎂微納米球進行水處理應(yīng)用的研究。眾所周知，Pb2+，Cd2+，Hg2+等重金屬離子污染物在工業(yè)污水排放中大量存在，因此對重金屬離子的去除具有非常重要的環(huán)保意義。本實驗以鉛離子溶液模擬工業(yè)廢液，研究這種納米復(fù)合材料對鉛離子的吸附等溫線以及吸附動力學(xué)。磁性芯殼結(jié)構(gòu)硅酸鎂微納米球?qū)︺U離子吸附等溫線實驗。
具體實施方式
:首先配制不同濃度(10-600ppm)的鉛離子溶液，用pH計測量鉛離子溶液的pH值，用HNO3和NaOH (0.01M)調(diào)節(jié)溶液的pH值為5。然后取20mg這種由四氧化三鐵磁性芯核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球和20ml的鉛離子溶液混合在一起放到50ml的離心管中，接著把離子管放到搖床中在室溫下?lián)u擺24小時直到吸附達到平衡。然后用磁鐵分離吸附齊U，取上澄清液，用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測定殘余鉛離子濃度，結(jié)合起始鉛離子濃度，可以得到吸附等溫線。磁性芯殼結(jié)構(gòu)硅酸鎂微納米球?qū)︺U離子吸附動力學(xué)實驗。
具體實施方式
:首先配制濃度為0.5mmol/L的鉛離子溶液，用pH計測量鉛離子溶液的pH值，用HNO3和NaOH(0.01M)調(diào)節(jié)溶液的pH值為5。然后取80mg這種磁性芯殼結(jié)構(gòu)硅酸鎂微納米球和80ml的鉛離子溶液混合在一起放到IOOmL的錐形瓶中，接著把錐形瓶放到搖床中在室溫下?lián)u擺，每隔一段時間就取一次樣，并用磁鐵分離吸附劑，取上澄清液，用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測量殘余鉛離子濃度，結(jié)合起始鉛離子濃度，可以得到吸附動力學(xué)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明 的優(yōu)選方式進一步詳細的描述
圖1是用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測后拍攝得到的照片，由低倍掃描電鏡照片可以看出它是分級結(jié)構(gòu)微納米球，由高倍的掃描電鏡照片可以看出(內(nèi)插圖)，這些分級結(jié)構(gòu)是由納米片單元組成的，納米片的厚度為10-20nm，這種芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的直徑為0.8_lum。圖2是用透射電子顯微鏡觀測后拍攝得到的照片，進一步顯示了產(chǎn)物的芯殼結(jié)構(gòu)，可以更加清楚的看到芯殼結(jié)構(gòu)微納米球是由球形的四氧化三鐵芯核和毛刺狀的硅酸鎂納米片的殼層組成。四氧化三鐵的直徑為300-500nm。圖3是對磁性芯殼結(jié)構(gòu)硅酸鎂微納米進行X射線衍射的XRD譜圖，從XRD譜圖可知，同時存在四氧化三鐵和硅酸鎂的XRD峰，硅酸鎂納米片的成分是水合硅酸鎂，屬于單斜晶系，對應(yīng)的分子式=Mg3Si4O10(OH)2QCPDS card No:03-0174) 圖4是對磁性芯殼結(jié)構(gòu)硅酸鎂微納米球進行的比表面積以及孔徑分布測試。由其可知，這種芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的等溫線帶有明顯的滯后環(huán)，屬于IV-H3型；其比表面積為263.4m2/g,這種芯殼結(jié)構(gòu)微納米球中的孔徑主要集中在2nm,分布為1.5_8nm。圖5是磁性芯殼結(jié)構(gòu)硅酸鎂微納米球?qū)︺U離子溶液在室溫下的吸附等溫線，吸附劑濃度:lg/L，pH=5，搖床轉(zhuǎn)速:200rpm，從圖中曲線擬合和線性擬合的結(jié)果來看，吸附過程符合朗格繆爾吸附等溫模型，對鉛離子的飽和吸附量為223.2mg/g。因此，對重金屬離子具有較好的吸附效果。圖6是磁性芯殼結(jié)構(gòu)硅酸鎂微納米球?qū)︺U離子溶液在室溫下的吸附動力學(xué)，初始濃度Ctl=O. 5mmol/L, pH=5，搖床轉(zhuǎn)速200rpm，圖中的曲線和直線是用準二階動力學(xué)模型擬合的。從圖中可以看出這種材料對鉛離子具有較快的吸附速率，3個小時就可以達到吸附平衡。
權(quán)利要求
1.一種由磁性核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)單分散四氧化三鐵納米球的制備:將4.0-6.0mmol的六水氯化鐵和3.0-4.0g的醋酸鈉加入40-50ml的乙二醇溶液，攪拌l_2h形成混合均勻的溶液，緊接著加入1.0-2.0g聚乙烯，攪拌30-40min，加熱上述溶液至180_200°C并保溫7_8h ;反應(yīng)完畢，自然冷卻，取出反應(yīng)產(chǎn)物，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌，最后將產(chǎn)物放入干燥箱，在65-75°C干燥5-8小時，即得產(chǎn)物單分散四氧化三鐵納米球； (2)芯殼結(jié)構(gòu)Fe3O4OSiO2微納米球制備:將0.1-0.3g Fe3O4納米球放到20_30ml去離子水中超聲至其分散均勻，緊接著再加入80-100ml無水乙醇和3.0-4.0ml濃氨水,攪拌,至上述溶液混合均勻；接著再逐滴加入2.0-3.0ml正硅酸乙酯，在室溫下攪拌5-6h ;反應(yīng)完畢，分離出反應(yīng)產(chǎn)物，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌，最后將產(chǎn)物在65-75°C干燥5-8小時，即得產(chǎn)物芯殼結(jié)構(gòu)Fe3O4OSiO2微納米球； (3)磁性芯核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球的制備:將0.70-0.8OmmoI六水氯化鎂和8_10mmol氯化銨加入30_40ml去離子水中，攪拌至均勻形成透明溶液，接著再加入0.8-1.0ml濃氨水；然后0.08-0.1OgFe3O^SiO2微米球和15_20ml去離子水混合加入上述溶液超聲 至均勻分散，加熱上述溶液至150-160°C并保溫30-40min ；反應(yīng)完畢，自然冷卻，取出反應(yīng)產(chǎn)物，用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌，最后將產(chǎn)物在65-75°C干燥5-8小時，即得最終產(chǎn)物四氧化三鐵磁性芯核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟2和步驟3中所用的濃氨水為25%-28%的氨水溶液。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由磁性四氧化三鐵芯核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球制備方法及用途，方法為首先制備出單分散的四氧化三鐵納米球，其次通過在四氧化三鐵納米球的表面覆蓋一層氧化硅，生成芯殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@SiO2微米球，表面覆蓋的氧化硅不僅起著模板誘導(dǎo)的作用，而且還作為這種芯殼結(jié)構(gòu)的反應(yīng)原料；最后，通過微波水熱的過程，氧化硅在穩(wěn)定的堿性條件下溶解生成硅酸根，硅酸根和鎂離子在四氧化三鐵納米球的表面發(fā)生反應(yīng)生成相互交錯的硅酸鎂納米片，因此，可以得到由磁性核和硅酸鎂納米片殼層組成的芯殼結(jié)構(gòu)微納米球。本發(fā)明可廣泛地用于污水治理、分子篩、藥物載體、氣體吸收與分離以及催化方面，該方法具有成本低廉，環(huán)保，產(chǎn)物均勻，方法簡單等優(yōu)點。
文檔編號B82Y40/00GK103071438SQ20131000503
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月7日
發(fā)明者趙振富, 汪國忠, 姚洪林, 康升紅 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院