一种钽酸锶铋插层化合物及其制备方法

摘要

一种钽酸锶铋插层化合物及其制备方法。其中插层化合物母体为钽酸锶铋，其分子式为Bi2SrTa2O9，客体为正丙胺、正八胺、正十二胺、正十八胺、四苯基卟啉。本发明钽酸锶铋插层化合物的制备方法是将酸化后的钽酸锶铋放入含客体化合物的溶液中。本发明还提供了这一系列插层化合物的谱学性能，通过测量此类化合物的红外吸收光谱，说明钽酸锶铋、胺类插层化合物和卟啉插层化合物存在相同的结构。通过测量此类化合物的紫外吸收光谱说明酸化的钽酸锶铋、胺类插层化合物和卟啉化合物都有钽酸锶铋层板结构。本发明的主要优点是制备方法简单，高效；对环境无污染。

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，更具体地涉及一种通过将插入物无机化合物插入到聚合物得到的有机-无机插层纳米复合材料，以及这种复合材料的制备方法，特别是一种钽酸锶铋插层化合物及其这种化合物的制备方法。

背景领域

有机-无机插层纳米复合材料是近二十年出现的一类新型人工合成的纳米复合材料，如石墨层间化合物、层状硅酸盐/有机纳米复合材料等。如公开号为CN1508069A中国发明专利申请公开的层状硅酸盐插层化合物的制备方法、其中制备的插层化合物及其用途。

具有层状结构的化合物中，层内存在强烈的共价键作用，层间则是一种弱的相互作用力。当层为电中性时，这种作用力一般是范德华力；当层为正电性或负电性时，则是弱的静电力。在一定的条件下，某些物质(原子、分子、离子或聚合物)可克服层状物质各层之间的作用力而插入层间空隙，形成插层化合物。在此类物质中层状物质被形象地称为母体，插入物被称为客体。

早在1841年Schaufautl首次报道硫酸根离子-石墨插层化合物时，插层化合物的研究就已经开始了，但是直到二十世纪六十年代，插层化合物的研究才引起人们的广泛兴趣。然而初期研究仅限于无机物或有机小分子与层状化合物的反应。

Fukushima等首先使用具有阳离子交换能力1.19mmol/g的蒙脱土和ε-己内酰铵在酸性条件下合成了纳米级复合材料，结果使硅酸盐以单层片状体均匀地分散在Nylon-6聚合物体系中，从此聚合物一无机层状化合物纳米复合材料地研究迅速发展。Lan等首先系统地研究了环氧树脂-粘土体系，得到了单层片状体均匀分散在聚合物交连网中的复合材料，从而将有机-无机层状化合物纳米复合材料的研究范围从线形高分子拓展到交联高分子。有机/无机物纳米复合材料与常规的有机/无机物复合材料体系不同，不是有机相与无机相的简单混合，而是在纳米尺寸范围内复合而成的。分散相和连续相之间界面积非常大，界面间具有很强的相互作用，产生理想的粘结性能。聚合物/无机物纳米复合材料不仅具有纳米材料的表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应、宏观量子隧道效应等特殊性质，而且将无机物和聚合物的性能结合在一起，产生了许多特异的性能。在电子学、光学、机械学、生物学等领域，展现出广阔应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题一方面是提供一种钽酸锶铋插层化合物。

本发明所要解决的技术问题的另一方面是提供该钽酸锶铋插层化合物的制备方法。

在本发明的第一方面，提供一种钽酸锶铋插层化合物，它母体具有式(I)所示的结构：

          Bi₂SrTa₂O₉                          (I)

客体为C1-C18烷基胺或卟啉类化合物。

本发明优选的客体为：正丙胺、正八胺、正十二胺、正十八胺、四苯基卟啉。

在本发明的第二方面，提供了一种制备上述钽酸锶铋插层化合物的制备方法，它应该含有如下步骤：

将酸化后的钽酸锶铋放入含客体化合物的液体中，得到插层化合物。

上述方法具体包括如下步骤：

1、按一定摩尔量分别称取氧化铋(Bi₂O₃)、五氧化二钽(Ta₂O₅)和碳酸锶(SrCO₃)，混合并研磨，使之充分混合均匀，混合均匀的物料在900℃、1000℃和1200℃的条件下分别煅烧15小时、15小时和24小时，得母体钽酸锶铋粉末；

2、将煅烧过后的物料加入酸溶液进行酸化；酸化以后，分离酸溶液与产物，产物经洗涤、烘干后得酸化后的钽酸锶铋粉末；

3、将一定量酸化后的钽酸锶铋粉末置于容器中，加入有机溶剂混合均匀，再将混合均匀后的溶液置于平面载体上，干燥后使酸化后的钽酸锶铋粉末均匀的附着于平面载体上；

4、将附着有酸化后的钽酸锶铋粉末平面载体插入到含有客体溶液的容器中，搅拌使之充分反应，反应完全后，取出平面载体，刮下平面载体上的反应物，即得钽酸锶铋插层化合物。

上述制备方法中，优选的煅烧温度为900℃-1200℃。

优选的酸溶液为无机酸，更好为盐酸。

优选的有机溶剂为丙酮。

优选的平面载体为载玻片。

在上述步骤中，酸化时间为48小时；产物的烘干温度为120℃。

在上述步骤中，酸化后的钽酸锶铋粉与客体溶液的反应时间为24小时。

本案发明人在经过广泛而深入的研究后，首次用层析法制备了一系列纳米插层化合物，将正丙胺、正八胺、正十二胺、正十八胺、四苯基卟啉这一系列客体化合物成功地插入母体钽酸锶铋中，并研究了这一系列插层化合物的谱学性能。在此基础上完成了本发明。

通过测量此类化合物的红外吸收光谱，说明钽酸锶铋、胺类插层化合物和四苯基卟啉插层化合物存在相同的结构。据此可推断，1200cm-1到400cm-1之间的吸收峰是层状化合物本身层板的结构，并且此结构在整个插层反应的过程中没有发生改变。

通过测量此类化合物的紫外吸收光谱说明钽酸锶铋、胺类插层化合物和四苯基卟啉化合物都包含有钽酸锶铋层板的结构。

本发明的主要优点在于：制备方法简单，高效；对环境无污染。

附图说明

图1为本发明钽酸锶铋纳米层状化合物的成分的XRD图；

图2为本发明钽酸锶铋中插入一系列客体后的成分的XRD图，图中：(1)表示正三胺插层化合物，(2)表示正八胺插层化合物，(3)表示正十二胺插层化合物，(4)表示正十八胺插层化合物，(5)表示四苯基卟啉插层化合物。

具体实施方式

一种钽酸锶铋插层化合物，它的母体具有式(I)所示的结构：

           Bi₂SrTa₂O₉                        (I)

客体为C1-C18烷基胺或卟啉类化合物。

在本发明的钽酸锶铋插层化合物中，使用钽酸锶铋作为母体，C1-C18烷基胺或卟啉类化合物，如正丙胺、正八胺、正十二胺、正十八胺和四苯基卟啉作为客体。通过红外光谱图，说明钽酸锶铋、胺类插层化合物和四苯基卟啉插层化合物存在相同的结构。据此可推断，1200cm-1到400cm-1之间的吸收峰是层状化合物本身层板的结构，并且此结构在整个插层反应的过程中没有发生改变。

在本发明的制备方法中，其主要的步骤是将酸化后的钽酸锶铋放入含客体化合物的溶液中，得到插层化合物。至于如何将酸化后的钽酸锶铋放入含客体化合物的溶液中，这个对本领域技术人员来说是比较容易做到的。

如采用下列具体步骤：

1、按一定摩尔量分别称取氧化铋(Bi₂O₃)、五氧化二钽(Ta₂O₅)和碳酸锶(SrCO₃)，混合并研磨，使之充分混合均匀，混合均匀的物料在900℃、1000℃和1200℃的条件下分别煅烧15小时、15小时和24小时，得母体钽酸锶铋粉末；

2、将煅烧过后的物料加入酸溶液进行酸化；酸化以后，分离酸溶液与产物，产物经洗涤、烘干后得酸化后的钽酸锶铋粉末；

3、将一定量酸化后的钽酸锶铋粉末置于容器中，加入有机溶剂混合均匀，再将混合均匀后的溶液置于平面载体上，干燥后使酸化后的钽酸锶铋粉末均匀的附着于平面载体上；

4、将附着有酸化后的钽酸锶铋粉末平面载体插入到含有客体溶液的容器中，搅拌使之充分反应，反应完全后，取出平面载体，刮下平面载体上的反应物，即得钽酸锶铋插层化合物。

在上述具体制备方法中，氧化铋(Bi₂O₃)、五氧化二钽(Ta₂O₅)和碳酸锶(SrCO₃)混合后研磨的设备和时间是本领域技术人员熟知的，一般采用球磨机进行研磨，研磨时间为24小时。

在上述具体制备方法中，煅烧的温度也为本领域技术人员熟知的，一般为900℃-1200℃，时间可根据需要进行控制。

在上述具体制备方法中，采用的酸溶液选用盐酸，但不限于此，只要选用酸溶液不会对所得的钽酸锶铋性能产生不利影响即可，这个对本领域技术人员来说是比较容易做到的。

在酸化过程中，酸化的时间和酸化产物的烘干温度对本领域技术人员来说比较容易选择，酸化时间一般为48小时，酸化产物的烘干温度一般为120℃。

在上述具体制备方法中，酸化的钽酸锶铋配置成液相时，其选用的有机溶剂为丙酮，但不限于此，只要选择的溶剂能与酸化的钽酸锶铋混合均匀，不会对所得的酸化的钽酸锶铋性能产生不利影响即可，这个对本领域技术人员来说是比较容易做到的。

在上述具体制备方法中，酸化的钽酸锶铋与客体反应采用将酸化的钽酸锶铋平铺在平面载体上，这样做可以更好地使酸化的钽酸锶铋与客体反应。反应时间为24小时，但不限于此，只要两者能够完全反应即可。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

以下通过实施例进一步说明本发明，但应理解，这些实施例只是示例性的，本发明并不局限于此。

实施例1

1、分别称取氧化铋(Bi₂O₃)9.3192g，五氧化二钽(Ta₂O₅)8.8375g和碳酸锶(SrCO₃)2.9532g；将三种原料混合，放入球磨机内研磨24小时，使之充分混合均匀；将取出的混合均匀的原料放入马福炉中进行煅烧。

2、取已制备好的钽酸锶铋粉末5g左右于烧杯中，加入配置好的4mol/L HCl溶液200ml，于磁力搅拌器上搅拌、酸化48小时。

3、酸化以后，将盐酸与产物的混合溶液置于离心分离机中进行分离。分离之后，用蒸馏水反复洗涤产物，直到产物中的氯离子被全部去除。将分离得到的产物在120℃的温度下，于干燥箱中烘干，则得到白色的酸化后的钽酸锶铋粉末。

4、将酸化后的钽酸锶铋置于烧杯中，加入丙酮后，将混合溶液置于超声清洗仪中超声分散15分钟。然后，用滴管将充分混匀的溶液滴于载玻片上，等其完全干透以后，酸化后的钽酸锶铋粉末就附着在载玻片上。最后，将载玻片斜插入盛有正丙胺溶液的烧杯中，并放入磁力搅拌子，在搅拌器上、于室温下反应24小时。取出载玻片，并刮下载玻片上的物质，就可得到插入正丙胺的钽酸锶铋插层化合物粉末。

实施例2

制备方法同具体实施例1，但用正八胺代替正丙胺，得到插入正八胺的钽酸锶铋插层化合物粉末。

实施例3

制备方法同具体实施例1，但用正十二胺代替正丙胺，得到插入正十二胺的钽酸锶铋插层化合物粉末。

实施例4

制备方法同具体实施例1，但用正十八胺代替正丙胺，得到插入正十八胺的钽酸锶插层化合物粉末。

实施例5

制备方法同具体实施例1，但用四苯基卟啉代替正丙胺，得到插入四苯基卟啉的钽酸锶插层化合物粉末。

实施例6

具体实施例1-5中获得的插层化合物，用XRD方法进行检测，结果见附图2。