一种氧化镁粉体材料的制备方法及其制备的氧化镁粉体材料

摘要

本发明提供一种氧化镁粉体材料的制备方法及其制备的氧化镁粉体材料，此种制备方法是利用自然生物体进行无机材料制备的方法，其包括如下步骤：(1)前驱体块的制备；(2)前驱体块的生物矿化：将前驱体块作为珠核植入褶纹冠蚌体内，再将该褶纹冠蚌置于淡水中养殖，经15-120天取出前驱体块，得到包覆有珍珠层的珠核，除去珠核外表面的珍珠层，可得到内部具有颗粒定向排列特征的乳白色块体材料；(3)氧化镁粉体材料的制备：将乳白色块体材料经马弗炉400～700℃煅烧后，用研钵磨碎得到氧化镁粉体材料。该方法利用自然界中生物矿化系统，直接在生物体内进行材料制备，再经煅烧获得了吸附性良好的氧化镁粉体材料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化镁粉体材料的制备方法及其制备的氧化 镁粉体材料。

背景技术

由于氧化镁在吸附、分离提纯和催化等领域的应用潜力，具 有新颖形貌材料的可控制备激发了科研人员越来越多的兴趣。氧 化镁(MgO)以其独特的表面性质，在污染物的消除以及催化等 领域均有广泛的应用。目前，性能优良的氧化镁材料通常要求粉 体纯度高、分布均匀，具备以上特性氧化镁材料的比表面积相对 较大，因而在催化，污染物吸附等方面具有较好的性能。

目前，制备具有精细微结构的氧化镁材料的方法主要有溶胶 凝胶法、水热法、热解法、水解法、电解法、物理化学沉积法等 等，上述方法普遍存在以下缺陷：使用有毒试剂；要求高温高压 条件；需专用设备；消耗大量不可再生能源。因此探索绿色环保 的材料制备方法成为目前的研究热点之一。

近年来，受自然界中普遍存在的矿化现象启发，仿生制备合 成(bio-inspired synthesis and fabrication)作为一种绿色环保的制 备方法为人工合成制备具有特异功能的晶体材料和生物智能材料 提供了新的视野，该合成过程消耗能量少，其结晶过程是典型的 自组装过程。生物矿化过程是指在生物体内特定部位，在生物有 机物质(有机大分子)的控制或影响下，环境中无机物离子选择性地 沉积而形成固相矿物的作用。利用生物矿化的原理进行仿生合成 制备可得到特殊形貌和尺寸的材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不 足，提供一种具有颗粒定向排列结构的氧化镁粉体材料的制备方 法，其成本低廉、操作简单、绿色环保，而且所制备的氧化镁粉 体材料具有较强的吸附性能。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

提供一种颗粒定向排列的氧化镁粉体材料的制备方法，其包 括以下步骤：

(1)前驱体块的制备：称取0.4-2g氧化镁粉末，用油压机预 压制成型，再经冷等静压压制获得前驱体块；

(2)前驱体块的生物矿化：将步骤(1)所得前驱体块作为 珠核植入褶纹冠蚌的外套膜和外壳之间的空隙中，再将所述褶纹 冠蚌置于淡水中养殖，经15-120天取出所述褶纹冠蚌，得到包覆 有珍珠层的前驱体块，除去所述前驱体块外表面的珍珠层，得到 乳白色块体材料；

(3)氧化镁粉体材料的制备：将步骤(2)所得乳白色块体 材料置于马弗炉中于400～700℃煅烧后，用研钵磨碎得到氧化镁粉 体材料。

本发明采用生物方法代替传统的溶胶-凝胶法、水热法、热解 法、水解法、电解法、物理化学沉积法等制备氧化镁材料，在室 温下由生物活体调节无机材料转化过程。

据报道，自然界中有许多生物可在体内或体外通过矿化作用 合成无机材料，这些生物合成的材料通常具有精细的多层级结构， 同时具有各种优异性能。这些生物通常可在体内合成特定的有机 物，有机大分子通过有序自组装成特异的模板进一步指导无机矿 物的形成和结构，从而得到多层级结构复杂的生物矿化材料。近 年来，各国研究者对生物矿化的化学过程和形成机理开展了广泛 而深入的研究，并在体外模仿自然界生物矿化过程，利用相关有 机分子在生物体外诱导合成出各种应用广泛的无机材料。但由于 生物环境的不可复制性、矿化机理及过程的复杂性，在生物体外 难以创造如同自然界中那般精妙平衡的生物环境，因此在生物体 外仿生合成制备的材料在结构、功能及性能上通常难以匹敌天然 矿物。目前，少有人直接借助自然界现有的生物矿化系统制备无 机材料，故本技术方法提供了一种利用全生物系统直接制备具有 精细微结构的氧化镁材料的新方法。

褶纹冠蚌是一种分布广泛、产量极高的淡水双壳类软体动物， 通常用于培养淡水珍珠。利用褶纹冠蚌制备氧化镁材料具有成本 低，反应过程绿色环保的优点。本发明利用褶纹冠蚌培养珍珠的 原理，以其生长的淡水环境为所需生物系统，通过生物活体对无 机材料合成过程进行调节，在室温下制备出具有精细微结构的无 机材料。

按上述方案，步骤(1)所述氧化镁粉末粒径为50～100nm。

按上述方案，步骤(1)所述预压制成型条件为常温、5-15MPa 下采用轴向模压由油压机压制成型，所述冷等静压压制条件为 150-180MPa。

优选的是，步骤(1)所述压制成型条件为常温、15MPa下采 用轴向模压压制成型，所述高压压制条件为室温下180MPa冷等 静压压制。

为了便于将前驱体块植入褶纹冠蚌的外套膜和壳体之间，并 使其充分融入于生物体内，前驱体块最好为规则结构，且体积不 能过大。优选的是，步骤(1)所制备的前驱体块为圆片状，圆片 直径为8-20mm，厚度为1-2mm。

优选的是，步骤(2)所述褶纹冠蚌置于淡水中养殖时间为 30-90天。取出在淡水中培养后的褶纹冠蚌，肉眼可观察到在原来 植入的珠核外表面形成了光亮的珍珠层。

优选的是，步骤(3)所述煅烧时间为2小时。

本发明还提供根据上述方法制备得到的氧化镁粉体材料。

本发明的有益效果是：本发明方法操作简单、成本低廉(使 用生物活体矿化)、绿色环保，且在常温常压以及室温条件下完 成，有效解决了现有技术中制备特殊结构的氧化镁粉体材料要使 用化学试剂、采用特殊设备、反应条件苛刻等问题，并且所制备 的氧化镁粉体材料具有较强的吸附性能，在吸附、分离提纯和催 化等领域的具有一定的应用潜力。

附图说明

图1为本发明所用原料氧化镁粉末及实施例一至四所制备的 乳白色块体材料的XRD谱图(a－原料氧化镁粉末的XRD谱图； b－实施例一所制备的乳白色块体材料的XRD谱图；c－实施例二 所制备的乳白色块体材料的XRD谱图；d－实施例三所制备的乳 白色块体材料的XRD谱图；e－实施例四所制备的乳白色块体材 料的XRD谱图)；

图2为原料氧化镁粉末的SEM照片；

图3为实施例一中乳白色块体材料断面的SEM照片；

图4为实施例二中乳白色块体材料断面的SEM照片；

图5为实施例三中乳白色块体材料断面的SEM照片；

图6为实施例四中乳白色块体材料断面的SEM照片；

图7为实施例一至四所得氧化镁粉体材料的XRD谱图(a－ 实施例一所制备的氧化镁粉体材料的XRD谱图；b－实施例二所 制备的氧化镁粉体材料的XRD谱图；c－实施例三所制备的氧化 镁粉体材料的XRD谱图；d－实施例四所制备的氧化镁粉体材料 的XRD谱图)；

图8为实施例一所制备的氧化镁粉体材料的SEM照片；

图9为实施例二所制备的氧化镁粉体材料的SEM照片；

图10为实施例三所制备的氧化镁粉体材料的SEM照片；

图11为实施例四所制备的氧化镁粉体材料的SEM照片；

图12为实施例一至四所制备的氧化镁粉体材料的刚果红吸 附测试图(a－未加入所制备粉体材料时刚果红的吸收值曲线图； b－加入原料氧化镁粉末时刚果红的吸收值曲线图；c－加入实施 例一所得的氧化镁粉体材料时刚果红的吸收值曲线图；d－加入实 施例二所得的氧化镁粉体材料时刚果红的吸收值曲线图；e－加入 实施例三所得的氧化镁粉体材料时刚果红的吸收值曲线图；f－加 入实施例四所得的氧化镁粉体材料时刚果红的吸收值曲线图)。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结 合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例一

取0.4g氧化镁粉末，在常温、10MPa下采用轴向模压压制成 型(成型为直径10mm，厚度1mm的圆片，再经过150MPa冷等 静压压制后，获得前驱体块。再将前驱体块作为珠核植入褶纹冠 蚌的外套膜和壳体之间，并将植核的褶纹冠蚌放入淡水中进行养 殖，经过15天的养殖后，在褶纹冠蚌体内取出已包覆有珍珠层的 珠核。除去生长在珠核表面的珍珠层，得到乳白色块体材料，再 经马弗炉400℃煅烧2h后，用研钵磨碎得到粉体材料。

氧化镁粉末所制备的前驱体块的初始检测结果如下：采用 XRD方法检测到原料的单一组成成分为氧化镁，且其晶化程度较 高(见附图1a)；前驱体块的断面的扫描电镜(SEM)分析显示 氧化镁颗粒呈无序堆积状态，颗粒大小介于50～100nm(见附图2)。

采用XRD方法检测到本实施例中乳白色块体材料有氢氧化 镁的物相生成，表明原料氧化镁在生物矿化过程中转变成了氢氧 化镁，但仍有大量氧化镁存在(见附图1b)；乳白色块体材料断 面的扫描电镜(SEM)分析显示颗粒成定向排列，且表面有有机 物包覆层(见附图3)；经马弗炉400℃煅烧后的粉体材料，采用 XRD方法检测到为单一的氧化镁组成，这与氢氧化镁受热分解的 特性是相一致的，但通过XRD检测结果中氧化镁的衍射峰强度来 看，本实施例所制备的氧化镁的晶化程度相对较低(见附图7a)； 所得粉体材料的扫描电镜(SEM)分析显示氧化镁颗粒呈定向排 列，平均粒径约为20～30nm(见附图8)。

取本实施例所制备的氧化镁粉体材料加入到有机染料刚果红 水溶液中(氧化镁粉体浓度为1g/L，刚果红浓度为200mg/L)。 在转速为100r/min的磁力搅拌条件下，搅拌2小时后，取溶液离 心分离，离心转速为90000r/min，取上清液通过UV-vis设备测试 其吸收值，实验结果表明所得的氧化镁粉体材料具有较高的吸附 特性，其对刚果红的吸附效率可达99.20％(见附图12谱线c)， 而原料氧化镁粉末对刚果红的吸附效率为36.05％(见附图12谱 线b)。

实施例二

取1g氧化镁粉末，在常温、15MPa下采用轴向模压压制成型 (成型为直径10mm，厚度2mm的圆片，再经过180MPa冷等静 压压制后，获得前驱体块。再将前驱体块作为珠核植入褶纹冠蚌 的外套膜和壳体之间，并将植核的褶纹冠蚌放入淡水中进行养殖， 经过30天的养殖后，在褶纹冠蚌体内取出已包覆有珍珠层的珠核。 除去生长在珠核表面的珍珠层，得到乳白色块体材料，再经马弗 炉500℃煅烧2h后，用研钵磨碎得到粉体材料。

采用XRD方法检测到本实施例中乳白色块体材料的主要物 相组成为氧化镁和氢氧化镁，但氧化镁的衍射峰减弱，氢氧化镁 的衍射峰增强(见附图1c)；乳白色块体材料断面的扫描电镜 (SEM)分析显示颗粒成定向排列(见附图4)；经马弗炉500℃ 煅烧后的粉体材料，采用XRD方法检测到为单一的氧化镁组成 (见附图7b)；所得粉体材料的扫描电镜(SEM)分析显示氧化 镁颗粒呈定向排列，颗粒堆积较为紧密，部分颗粒粘接在一起形 成层状堆叠，其组成颗粒平均粒径约为20～40nm(见附图9)。所 得的氧化镁粉体材料具有较高的吸附特性，其对刚果红的吸附效 率可达92.67％(见附图12谱线d)。

实施例三

取2g氧化镁粉末，在常温、10MPa下采用轴向模压压制成型 (成型为直径20mm，厚度2mm的圆片，再经过180MPa冷等静 压压制后，获得前驱体块。再将前驱体块作为珠核植入褶纹冠蚌 的外套膜和壳体之间，并将植核的褶纹冠蚌放入淡水中进行养殖， 经过90天的养殖后，在褶纹冠蚌体内取出已包覆有珍珠层的珠核。 除去生长在珠核表面的珍珠层，得到乳白色块体材料，再经马弗 炉600℃煅烧后，用研钵磨碎得到粉体材料。

采用XRD方法检测到本实施例中乳白色块体材料的主要物 相组成为氧化镁和氢氧化镁，但氧化镁的衍射峰进一步减弱，氢 氧化镁的衍射峰进一步增强(见附图1d)；乳白色块体材料断面 的扫描电镜(SEM)分析显示颗粒成定向排列的趋势进一步增强 了(见附图5)；经马弗炉600℃煅烧2h后的粉体材料，采用XRD 方法检测到为单一的氧化镁组成，其衍射峰的强度随煅烧温度上 升进一步加强(见附图7c)，说明晶化程度增加；所得粉体材料 的扫描电镜(SEM)分析显示氧化镁颗粒呈定向排列，由于晶化 程度提高，颗粒感增强，其组成颗粒为30nm左右(见附图10)。 所得的氧化镁粉体具有较高的吸附特性(见附图12谱线e)，其 对刚果红的吸附效率为99.20％。

实施例四

取1.5g氧化镁粉末，在常温、10MPa下采用轴向模压压制成 型(成型为直径20mm，厚度0.8mm的圆片，再经过180MPa冷 等静压压制后，获得前驱体块。再将前驱体块作为珠核植入褶纹 冠蚌的外套膜和壳体之间，并将植核的褶纹冠蚌放入淡水中进行 养殖，经过120天的养殖后，在褶纹冠蚌体内取出已包覆有珍珠 层的珠核。除去生长在珠核表面的珍珠层，得到乳白色块体材料， 再经马弗炉700℃煅烧2h后，用研钵磨碎得到粉体材料。

采用XRD方法检测到本实施例中乳白色块体材料的主要物 相组成氧化镁和氢氧化镁，但氧化镁的衍射峰减弱，氢氧化镁的 衍射峰增强显著(见附图1e)；乳白色块体材料断面的扫描电镜 (SEM)分析显示颗粒成定向排列的趋势进一步增强了(见附图 6)；经马弗炉700℃煅烧后的粉体材料，采用XRD方法检测到 为单一的氧化镁组成，其衍射峰的强度随煅烧温度上升显著加强 (见附图7d)，说明晶化程度进一步增加；所得粉体材料的扫描 电镜(SEM)分析显示氧化镁颗粒呈定向排列，由于晶化程度提 高，颗粒感增强，颗粒之间的粘接减弱，其组成颗粒平均粒径约 为30～50nm(见附图11)。所得的氧化镁粉体具有较高的吸附特 性，其对刚果红的吸附效率为96.17％(见附图12谱线f)。

以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性 实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术 人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各 种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。