一種二維納米片層蛭石及制備方法與其功能化改性

本發(fā)明涉及二維納米材料領(lǐng)域，具體涉及一種二維納米片層蛭石及制備方法與其功能化改性。

背景技術(shù)：

1、二維納米片層材料因其二維層狀結(jié)構(gòu)、表面豐富的官能團(tuán)、親水性和大比表面積而受到科研工作者的廣泛關(guān)注。2004年，安德烈·赫姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過簡單的膠帶撕裂的方式獲得只有一個(gè)原子厚度的薄片。從此，開啟了二維納米片層材料的世界。由于層狀材料被剝離至單一片層的時(shí)常常表現(xiàn)出諸多優(yōu)異的屬性，而被廣泛地應(yīng)用于電子器件、能源、醫(yī)療、膜分離等領(lǐng)域。自此，氧化石墨烯、氮化硼(bn)、二硫化鉬、mxene等二維片層納米材料逐漸被研發(fā)出來。然而，上述二維片層納米材料均存在產(chǎn)量小、造價(jià)昂貴的問題，難以大規(guī)模應(yīng)用。

2、因此，如何低成本、大面積制備一種二維片層納米材料成為領(lǐng)域內(nèi)備受關(guān)注的問題。蛭石是自然界廣泛存在的礦物之一，通常存在于各種沉積巖之中，其主要成分為硅酸鋁鹽、主要結(jié)構(gòu)為金屬為中心的四面體與八面體。當(dāng)兩層四面體硅酸鹽夾著一層八面體硅酸鹽時(shí)，形成了蛭石的基本結(jié)構(gòu)：2:1型三維層狀晶體。由于蛭石層與層之間充滿了水合陽離子(主要為mg2+和k+)，因此蛭石層間主要靠范德華力連接，故通過加熱、超聲、化學(xué)反應(yīng)、離子交換等外界刺激可以實(shí)現(xiàn)蛭石片層的分離，來獲得二維納米片層蛭石。較其它獲得二維納米片層材料的方法相比，上述方法均比較簡單，因此從方法方面造價(jià)便宜。加之蛭石本身為工業(yè)原料，價(jià)格低廉，因此采用此類方法制備的二維納米片層材料具有巨大的市場空間，有助于實(shí)現(xiàn)二維納米片層材料的工業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于如何提供一種新型的二維納米片層材料并實(shí)現(xiàn)其功能化改性。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)解決上述技術(shù)問題的：

3、本發(fā)明的第一方面提出一種二維納米片層蛭石的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)將蛭石原料煅燒，獲得熱膨脹的蛭石；

5、(2)將熱膨脹的蛭石加入到nacl溶液中，在一定溫度的油浴鍋中冷卻回流并攪拌，洗滌抽濾后，得到na+插層的剝離蛭石；

6、(3)加入去離子水，超聲處理，抽濾后，加入到licl溶液中，在一定溫度的油浴鍋中冷卻回流并攪拌；洗滌抽濾后，得到li+插層的剝離蛭石；

7、(4)加入去離子水，超聲處理，離心，冷凍干燥，即得。

8、有益效果：通過熱膨脹、離子交換、超聲剝離等方法制備一種新型的二維納米片層材料，該材料與文獻(xiàn)中其他的納米無機(jī)材料相比具有極大的比表面積，可以用于電子器件、能源、醫(yī)療、膜分離等諸多領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

9、優(yōu)選的，所述步驟(1)中煅燒的溫度為750-850℃，時(shí)間為45-55h，進(jìn)一步優(yōu)選為800℃，48h；所述蛭石原料的粒徑為8-13mm。

10、有益效果：利用高溫將蛭石層間的水分變成蒸氣，水蒸氣產(chǎn)生的壓力使得蛭石層分開，從而形成了熱膨脹蛭石，為蛭石提供第一次剝離。

11、優(yōu)選的，所述步驟(2)中nacl溶液的濃度為0.3-0.45g/ml，進(jìn)一步優(yōu)選為0.38g/ml，油浴鍋的溫度為110-130℃，攪拌的時(shí)間為45-50h。

12、有益效果：na+將蛭石層與層之間的水合陽離子(主要為mg2+和k+)置換出來，增大蛭石層間距離，為蛭石提供第二次剝離。

13、優(yōu)選的，所述步驟(3)中超聲的功率為400-500w，超聲處理的時(shí)間為6-12h，進(jìn)一步優(yōu)選為450w，9h。

14、優(yōu)選的，所述步驟(3)中l(wèi)icl的濃度為1-3mol/l，進(jìn)一步優(yōu)選為2mol/l；油浴鍋的溫度為110-130℃，攪拌的時(shí)間為45-50h。

15、有益效果：li+將步驟(2)中蛭石層與層之間的水合na+置換出來，進(jìn)一步增大蛭石層間距離，為蛭石提供第三次剝離。

16、優(yōu)選的，所述步驟(4)中超聲的功率為400-500w，超聲處理的時(shí)間為6-12h，進(jìn)一步優(yōu)選為450w，9h。

17、優(yōu)選的，所述步驟(4)中離心的速率為2000-12000r/min，離心的時(shí)間為2-5min。

18、有益效果：得到尺寸不同的納米片層蛭石。

19、優(yōu)選的，所述步驟(4)中冷凍干燥溫度區(qū)間為-45℃～-25℃，時(shí)間為45-50h。

20、本發(fā)明的第二方面提出采用上述制備方法制得的二維納米片層蛭石。

21、本發(fā)明的第三方面提出一種改性二維納米片層蛭石材料的制備方法，包括以下步驟：利用硫酸溶液對上述獲得的二維納米片層蛭石進(jìn)行磺化接枝反應(yīng)，洗滌至ph值為中性，超聲處理，冷凍干燥，即得。

22、有益效果：改性后的蛭石帶有功能化的磺酸根基團(tuán)，因此可以與高分子材料進(jìn)行復(fù)合，做成復(fù)合薄膜。此時(shí)，蛭石依然具有很大的比表面積，因此其在復(fù)合薄膜中為質(zhì)子的傳輸提供了一條條有序的傳輸通道，可以極大地提升質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率以及基于該質(zhì)子交換膜的燃料電池性能。

23、優(yōu)選的，所述硫酸溶液的濃度為0.1-1mol/l，反應(yīng)溫度為25-80℃，反應(yīng)時(shí)間為4-12h。

24、本發(fā)明的第四方面提出采用上述制備方法制得的改性二維納米片層蛭石材料。

25、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

26、1、本發(fā)明通過熱膨脹、離子交換、超聲剝離等方法制備一種新型的二維納米片層材料，該材料與文獻(xiàn)中其他的納米無機(jī)材料相比具有極大的比表面積，可以用于電子器件、能源、醫(yī)療、膜分離等諸多領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

27、2、本發(fā)明方法提供了一種只有納米尺寸厚度的新型無機(jī)二維納米片層—蛭石。這種材料與文獻(xiàn)中其他的納米無機(jī)材料相比具有極大的比表面積，可以用于電子器件、能源、醫(yī)療、膜分離等諸多領(lǐng)域的研究中。由于蛭石原料來源廣泛，制備方法簡單，因此本發(fā)明中制備的蛭石具有廣闊的市場空間。此外，這種二維納米片層材料可以接枝有機(jī)基團(tuán)，因此其還可以作為增強(qiáng)劑、改性劑加入到有機(jī)材料、高分子材料體系，進(jìn)一步提升其性能。

技術(shù)特征：

1.一種二維納米片層蛭石的制備的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維納米片層蛭石的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中煅燒的溫度為750-850℃，時(shí)間為45-55h；所述蛭石原料的粒徑為8-13mm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維納米片層蛭石的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中nacl溶液的濃度為0.3-0.45g/ml，油浴鍋的溫度為110-130℃，攪拌的時(shí)間為45-50h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維納米片層蛭石的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)和步驟(4)中超聲的功率均為400-500w，超聲處理的時(shí)間均為6-12h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維納米片層蛭石的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中l(wèi)icl的濃度為1-3mol/l；油浴鍋的溫度為110-130℃，攪拌的時(shí)間為45-50h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維納米片層蛭石的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中離心的速率為2000-12000r/min，離心的時(shí)間為2-4min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維納米片層蛭石的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中冷凍干燥溫度區(qū)間為-45℃～-25℃，時(shí)間為45-50h。

8.權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的制備方法制得的二維納米片層蛭石。

9.一種改性二維納米片層蛭石材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：利用硫酸溶液對權(quán)利要求8所述的二維納米片層蛭石進(jìn)行磺化接枝反應(yīng)，洗滌至ph值為中性，超聲處理，冷凍干燥，即得；所述硫酸溶液的濃度為0.1-1mol/l，反應(yīng)溫度為25-80℃，反應(yīng)時(shí)間為4-12h。

10.權(quán)利要求9所述的制備方法制得的改性二維納米片層蛭石材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種二維納米片層蛭石及制備方法與其功能化改性。通過高溫?zé)崤蛎?、離子插層技術(shù)以及超聲分離技術(shù)，將蛭石原料一層一層剝開，最終得到維納米片層的蛭石材料。與傳統(tǒng)的納米材料相比(例如石墨烯)，這種材料具有更大的比表面積，可以用于電子器件、能源、醫(yī)療、膜分離等諸多領(lǐng)域的研究中。由于蛭石原料來源廣泛，制備方法簡單，因此本發(fā)明中制備的蛭石具有廣闊的市場空間。此外，這種二維納米片層材料可以接枝有機(jī)基團(tuán)，因此其還可以作為增強(qiáng)劑、改性劑加入到有機(jī)材料、高分子材料體系，進(jìn)一步提升其性能。

技術(shù)研發(fā)人員：周學(xué)華,白國梁,王春花,王鈞偉,李青霞,楊世星,朱濤,李桂臣
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安慶師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/31