以介孔二氧化硅为模板合成高比表面积纳米铁酸镧的方法

摘要

以介孔二氧化硅为模板合成高比表面积纳米铁酸镧的方法，它涉及一种纳米铁酸镧的合成方法。本发明解决了现有铁酸镧的比表面积低的问题。一、La(NO3)3·6H2O和Fe(NO3)3·9H2O加到无水乙醇得混合溶液；二、将预处理的介孔二氧化硅粉末迅速加到混合溶液中，恒温搅拌，干燥，研磨；三、焙烧，冷却；四、将冷却后的固体加到氢氧化钠溶液中，水浴搅拌，离心分离，洗涤；五、烘干，焙烧即可。本发明合成过程工艺简单、操作方便、成本低，易于实现工业化生产。本发明合成纳米铁酸镧的比表面积在34.5307～129.672m2/g。与柠檬酸络合法相比，本发明合成产品比表面积增三倍以上，同时催化和吸附等性能明显改善。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米铁酸镧的合成方法。

背景技术

纳米铁酸镧是一种具有独特物理和化学性质的新型材料，多用于CO、NH₃、CH₄等的催化氧化反应，在理论上是研究催化剂表面及催化性能的理想产品。由于传统的合成方法(如柠檬酸络合法等)有粒子团聚现象和粒子尺寸不可控等缺陷，减少了比表面积，严重影响其催化等性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有铁酸镧的比表面积低的问题，而提供一种以介孔二氧化硅为模板合成高比表面积纳米铁酸镧的方法。本发明以介孔二氧化硅为模板，通过本发明的方法提高了纳米铁酸镧的比表面积，并改善了其催化等性能。

以介孔二氧化硅为模板合成高比表面积纳米铁酸镧的方法是按下述步骤实现的：一、La(NO₃)₃·6H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O按1∶1的摩尔比加入无水乙醇中得到混合溶液(红褐色的均匀溶液)，其中混合溶液中La³⁺的浓度为2.5mol/L，Fe³⁺的浓度为2.5mol/L；二、在搅拌的条件下，将经预处理的介孔二氧化硅粉末迅速加到的步骤一得到的混合溶液，在60～80℃条件下，恒温搅拌至粘稠状，然后在80～100℃下干燥20～30小时，研磨至纳米级；三、将研磨后的固体在500～900℃条件下焙烧1.5～4小时，冷却至室温；四、将冷却后的固体加到氢氧化钠溶液中，在80～100℃的水浴下搅拌4～6小时，然后离心分离，用二次蒸馏水洗涤三至五次；五、将洗涤后的固体在80～100℃条件下烘干，然后在500℃条件下焙烧2小时即得到高比表面积纳米铁酸镧；步骤二中介孔二氧化硅与Fe(NO₃)₃·9H₂O的质量比为0.5～2.0∶3。

步骤二中介孔二氧化硅粉末的预处理方法如下：在80～100℃条件下，将介孔二氧化硅粉末加热4～6小时；介孔二氧化硅粉末为介孔二氧化硅SBA-16或介孔二氧化硅SBA-15。步骤二中介孔二氧化硅粉末为介孔二氧化硅SBA-16或介孔二氧化硅SBA-15。步骤四中氢氧化钠溶液的浓度为2～4mol/L。

本发明合成过程工艺简单、操作方便、成本低，易于实现工业化生产。本发明以介孔二氧化硅SBA-16为模板来合成高比表面积纳米铁酸镧，由于介孔二氧化硅具有三维孔道结构，有利于物质传输，用它作为模板可以有效地利用介孔的多孔性能，从而将晶体的生长抑制在固定的体积范围内，解决了传统的合成方法易团聚的缺点。本发明合成纳米铁酸镧的比表面积在34.5～129.6m²/g。与柠檬酸络合法相比本发明合成产品比表面积增三倍以上，同时催化与吸附等性能明显改善。

附图说明

图1是具体实施方式九中不同焙烧温度下制得高比表面积纳米铁酸镧的XRD衍射图(介孔与铁酸镧质量比为1∶1)。图2是具体实施方式九步骤三的焙烧温度为700℃时合成的高比表面积纳米铁酸镧的N₂吸附-脱附等温曲线图。图3是具体实施方式九步骤三的焙烧温度为700℃时合成的高比表面积纳米铁酸镧的孔径分布曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中以介孔二氧化硅为模板合成高比表面积纳米铁酸镧的方法是按下述步骤实现的：一、La(NO₃)₃·6H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O按1∶1的摩尔比加入无水乙醇中得到混合溶液(红褐色的均匀溶液)，其中混合溶液中La³⁺的浓度为2.5mol/L，Fe³⁺的浓度为2.5mol/L；二、在搅拌的条件下，将经预处理的介孔二氧化硅粉末迅速加到的步骤一得到的混合溶液，在60～80℃条件下，恒温搅拌至粘稠状，然后在80～100℃下干燥20～30小时，研磨至纳米级；三、将研磨后的固体在500～900℃条件下焙烧1.5～4小时，冷却至室温；四、将冷却后的固体加到氢氧化钠溶液中，在80～100℃的水浴下搅拌4～6小时，然后离心分离，用二次蒸馏水洗涤三至五次；五、将洗涤后的固体在80～100℃条件下烘干，然后在500℃条件下焙烧2小时即得到高比表面积纳米铁酸镧；步骤二中介孔二氧化硅与Fe(NO₃)₃·9H₂O的质量比为0.5～2.0∶3。

本实施方式合成的高比表面积纳米铁酸镧的产率在99.8％以上，说明La(NO₃)₃·6H₂O与Fe(NO₃)₃·9H₂O基本上完全反应生成了铁酸镧。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中介孔二氧化硅粉末的预处理方法如下：在80～100℃条件下，将介孔二氧化硅粉末加热4～6小时。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中介孔二氧化硅粉末为介孔二氧化硅SBA-16或介孔二氧化硅SBA-15。其它与具体实施方式一相同。

本实施方式中介孔二氧化硅粉末是市售商品，或者按文献中的方法合成。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中介孔二氧化硅与Fe(NO₃)₃·9H₂O的质量比为0.8～1.9∶3。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中介孔二氧化硅与Fe(NO₃)₃·9H₂O的质量比为1.8∶3。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中焙烧温度为600～900℃。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中焙烧温度为800℃。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中氢氧化钠溶液的浓度为2～4mol/L。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式中以介孔二氧化硅为模板合成高比表面积纳米铁酸镧的方法是按下述步骤实现的：一、1.78g La(NO₃)₃·6H₂O和1.65gFe(NO₃)₃·9H₂O按1∶1的摩尔比加入4mL无水乙醇中得到混合溶液，其中混合溶液中La³⁺的浓度为2.5mol/L，Fe³⁺的浓度为2.5mol/L；二、在搅拌的条件下，将经预处理的介孔二氧化硅粉末迅速加到的步骤一得到的混合溶液，，在60℃条件下，恒温搅拌至粘稠状，然后在100℃下干燥20小时，研磨至纳米级；三、将研磨后的固体在500～900℃条件下焙烧2小时，冷却至室温；四、将冷却后的固体加到浓度为2mol/L氢氧化钠溶液中，在80℃的水浴下搅拌4小时，然后离心分离，用二次蒸馏水洗涤三至五次；五、将洗涤后的固体在100℃条件下烘干，然后在500℃条件下焙烧2小时即得到高比表面积纳米铁酸镧；步骤二中介孔二氧化硅与Fe(NO₃)₃·9H₂O的质量比为0.5～2.0∶3。

对本实施方式进行检测验证本发明的效果：

对本实施方式制得产品进行XRD衍射测试，结果如图1。由图1可以看出，步骤三的焙烧温度为500℃时没有形成铁酸镧晶体，当焙烧温度高于500℃后，各峰都归属于铁酸镧晶体的衍射峰，随着焙烧温度的增加，各衍射峰的峰型没有变化，峰强增加，说明结晶度逐渐变好。

从图2等温线上的狭长的滞后环中可以得出本实施方式合成的高比表面积纳米铁酸镧具有不规则的孔结构，并且在图3的孔径分布曲线中可以看到样品的孔径主要分布在2～5nm，这些都可以归因于介孔模板去除后样品具有的多孔结构，而该多孔结构可以使样品具有高比表面积。

表1：模板法和柠檬酸络合法合成经不同温度焙烧的纳米铁酸镧的比表面积值及可见光催化降解罗丹明B(RhB)的降解率表

由表1中可以看出，使用本实施方式得到的比表面积值远远大于柠檬酸络合法合成的样品，并且随着焙烧温度的升高，比表面积逐渐降低。与柠檬酸络合法低温焙烧合成的产品相比，本实施方式方法合成的产品具有更高的比表面积，而且在800℃焙烧后依然保持较大的比表面积。从光催化降解数据中可以看出，与柠檬酸络合法相比，使用本实施方式方法合成的产品具有更高的光催化活性，并且随着焙烧温度的升高，光催化活性逐渐增强，这与柠檬酸络合法合成的样品的活性变化规律相反，这是由于模板法合成样品温度升高后在保持有较大比表面积的同时增加样品的结晶度，因此使其光催化活性逐渐增强。

综上所述，本实施方式方法实现了高比表面积的纳米铁酸镧的合成。经过以上的表征结果可以推断，通过使用介孔二氧化硅为模板来合成高比表面积纳米铁酸镧可以在提高焙烧温度的同时保持有较高的比表面积值，因此可以得到了具有较高的结晶度的样品的光催化活性更高。铁酸镧的比表面积提高，其有效利用面积增加，能够明显改善其催化和吸附等性能，从而扩大了其应用范围。