一種一步合成大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物的方法與流程
2023-10-10 02:51:04 5
本發明涉及一種一步合成大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物的方法，屬於無機材料製備技術領域。
背景技術：
層狀雙金屬氫氧化物(layered double hydroxides,LDH)是由帶正電荷的層板主體與層間陰離子客體有序組裝而成的層狀無機化合物。由於其獨特的結構和物化特性，在鋰離子電池、燃料電池、超級電容器和電解水等能源材料領域應用廣泛。其中，剝離LDH，使其暴露更多的活性位點，從而提升材料的電化學活性，具有誘人的前景。而剝離的前提是製備大層間距的LDH前驅體。一般的方法是先將層間陰離子為碳酸根的LDH置換為氯離子，再進一步置換為硝酸根。這種方法製備的LDH層間距小於1nm，製備過程中溶液需要不斷通入氮氣以去除二氧化碳，並且每次陰離子置換過程至少12h，繁瑣、耗時。另一方面，鈷錳層狀雙金屬氫氧化物通常採用共沉澱的方法，在鹽溶液中不斷鼓入氧氣或者預先加入氧化劑將二價錳離子氧化為更高價態，再緩慢滴入鹼液，直至pH為9-10。整個過程工藝複雜，能耗較高。
技術實現要素：
為了克服現有技術中存在的不足，本發明目的是提供一種一步合成大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物的方法。該方法一步合成大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物，無需經過多步的層間陰離子置換過程，且製備過程中無需任何氧化劑或氧氣鼓入，能耗低，製備工藝簡單，重複性好，生產環境友好，具有廣闊的應用前景。
為了實現上述發明目的，解決現有技術中所存在的問題，本發明採取的技術方案是：一種一步合成大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物的方法，包括以下步驟：
步驟1、將陰離子表面活性劑和去離子水置於燒杯中，在室溫下混合攪拌均勻，陰離子表面活性劑的濃度為0.01-0.3mol/L，所述的去離子水體積為50-200mL，所述的陰離子表面活性劑選自十二烷基苯磺酸鈉或十二烷基硫酸銨中的一種；
步驟2、將可溶性二價錳鹽、二價鈷鹽及鹼性緩衝物質按照1：1-5：5-18加入到步驟1的溶液中，混合攪拌，可溶性二價鈷鹽和二價錳鹽的總濃度為0.01-1mol/L，鹼性緩衝物質的濃度為0.1-1mol/L，所述可溶性二價鈷鹽選自硝酸鈷或氯化鈷中的一種，二價錳鹽選自硝酸錳或氯化錳中的一種，鹼性緩衝物質選自硝酸銨、硫酸銨或碳酸銨中的一種；
步驟3、將強鹼性物質加入到步驟2的溶液中，攪拌2-48h，所述強鹼性物質與鹼性緩衝物質的摩爾比為1：1-10，所述強鹼性物質選自氫氧化鉀或氫氧化鈉中的一種；
步驟4、將步驟3獲得的漿液經離心機分離後，再用去離子水洗滌至中性，烘乾，研磨，製得大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物目標材料。
本發明有益效果是：一種一步合成大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物的方法，包括以下步驟：(1)將陰離子表面活性劑和去離子水置於燒杯中，在室溫下混合攪拌均勻，陰離子表面活性劑的濃度為0.01-0.3mol/L，所述的去離子水體積為50-200mL，(2)將可溶性二價錳鹽、二價鈷鹽及鹼性緩衝物質按照1：1-5：5-18加入到步驟1的溶液中，混合攪拌，可溶性二價鈷鹽和二價錳鹽的總濃度為0.01-1mol/L，鹼性緩衝物質的濃度為0.1-1mol/L，(3)將強鹼性物質加入到步驟2的溶液中，攪拌2-48h，所述強鹼性物質與鹼性緩衝物質的摩爾比為1：1-10，(4)將步驟3獲得的漿液經離心機分離後，再用去離子水洗滌至中性，烘乾，研磨，製得大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物目標材料。與已有技術相比，本發明無需經過多步的層間陰離子置換過程，且製備過程中無需任何氧化劑或氧氣鼓入，能耗低，製備工藝簡單，重複性好，生產環境友好，具有廣闊的應用前景。
附圖說明
圖1是本發明實施例1的XRD譜圖。
圖2是本發明實施例2的XRD譜圖。
圖3是本發明實施例3的XRD譜圖。
圖4是本發明對比例1的XRD譜圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明。
實施例1
(1)將十二烷基苯磺酸鈉(0.697g,2mmol)和200mL去離子水置於燒杯中，在室溫下混合攪拌均勻，(2)將CoCl2·6H2O(0.595g,2.5mmol)、MnCl2·4H2O(0.247g,1.25mmol)和NH4NO3(1.601g,20mmol)加入到步驟(1)的溶液中，攪拌混合，(3)再將NaOH(0.275g,6.875mmol)加入到步驟(2)的溶液中，攪拌2h，(4)將步驟(3)獲得的漿液經離心機分離後，再用去離子水洗滌至中性，烘乾，研磨，製得大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物目標材料。採用X射線衍射(XRD)表徵結果如圖1所示，測得的層間距為0.820nm和0.712nm。
實施例2
(1)將十二烷基苯磺酸鈉(0.697g,2mmol)和200mL去離子水置於燒杯中，在室溫下混合攪拌均勻，(2)將CoCl2·6H2O(0.595g,2.5mmol)、MnCl2·4H2O(0.247g,1.25mmol)和NH4NO3(1.601g,20mmol)加入到步驟(1)的溶液中，攪拌混合，(3)將NaOH(0.275g,6.875mmol)加入到步驟(2)的溶液中，攪拌48h，(4)將步驟(3)獲得的漿液經離心機分離後，再用去離子水洗滌至中性，烘乾，研磨，製得大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物目標材料。採用X射線衍射(XRD)表徵結果如圖2所示，測得的層間距為0.820nm。
實施例3
(1)將十二烷基硫酸銨(0.567g,2mmol)和200mL去離子水置於燒杯中，在室溫下混合攪拌均勻，(2)將CoCl2·6H2O(0.595g,2.5mmol)、MnCl2·4H2O(0.247g,1.25mmol)和NH4NO3(1.601g,20mmol)加入到步驟(1)的溶液中，攪拌混合；(3)將NaOH(0.275g,6.875mmol)加入到步驟(2)的溶液中，攪拌48h，(4)將步驟(3)獲得的漿液經離心機分離後，再用去離子水洗滌至中性，烘乾，研磨，製得大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物目標材料。採用X射線衍射(XRD)表徵結果如圖3所示，測得的層間距為1.52nm。
實施例4
(1)將十二烷基硫酸銨(0.567g,2mmol)和200mL去離子水置於燒杯中，在室溫下混合攪拌均勻，(2)將Co(NO3)2·6H2O(0.73g,2mmol)、50wt％Mn(NO3)2溶液(0.445g,1.25mmol)和NH4NO3(1.601g,20mmol)加入到步驟(1)的溶液中，攪拌混合，(3)將NaOH(0.275g,6.875mmol)加入到步驟(2)的溶液中，攪拌48h，(4)將步驟(3)獲得的漿液經離心機分離後，再用去離子水洗滌至中性，烘乾，研磨，製得大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物目標材料。
實施例5
(1)將十二烷基硫酸銨(0.567g,2mmol)和100mL去離子水置於燒杯中，在室溫下混合攪拌均勻，(2)將Co(NO3)2·6H2O(0.73g,2mmol)、50wt％Mn(NO3)2溶液(0.445g,1.25mmol)和(NH4)2CO3(0.96g,10mmol)加入到步驟(1)的溶液中，攪拌混合，(3)將KOH(0.386g,6.875mmol)加入到步驟(2)的溶液中，攪拌24h，(4)將步驟(3)獲得的漿液經離心機分離後，再用去離子水洗滌至中性，烘乾，研磨，製得大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物目標材料。
實施例6
(1)將十二烷基硫酸銨(2.835g,10mmol)和50mL去離子水置於燒杯中，在室溫下混合攪拌均勻，(2)將CoCl2·6H2O(0.446g,1.875mmol)、MnCl2·4H2O(0.371g,1.875mmol)和(NH4)2SO4(1.321g,10mmol)加入到步驟(1)的溶液中，攪拌混合，(3)將KOH(0.386g,6.875mmol)加入到步驟(2)的溶液中，攪拌24h，(4)將步驟(3)獲得的漿液經離心機分離後，再用去離子水洗滌至中性，烘乾，研磨，製得大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物目標材料。
對比例1
(1)將CoCl2·6H2O(0.595g,2.5mmol)、MnCl2·4H2O(0.247g,1.25mmol)和NH4NO3(1.601g,20mmol)加入到200mL去離子水中，攪拌混合，(2)將NaOH(0.275g,6.875mmol)加入到步驟(1)的溶液中，攪拌48h，(3)將步驟(2)獲得的漿液經離心機分離後，再用去離子水洗滌至中性，烘乾，研磨，製得大層間距鈷錳層狀雙金屬氫氧化物目標材料。採用X射線衍射(XRD)表徵結果如圖4所示，測得的層間距為0.712nm。很顯然，由於沒有陰離子表面活性劑的加入，層間距變小了。