一种高效的系列尖晶石纳米结构材料的合成方法

摘要

一种高效的系列尖晶石纳米结构材料的合成方法，涉及纳米结构材料。将A的可溶性盐和B的可溶性盐溶解在醇类溶剂中，搅拌后得混合溶液；所述A选自Mg,Zn,Ni,Co,Ca,Cu,稀土元素Ln中的一种；所述B选自Al,Si,Cr,Bi,Fe,Ga中的一种；所述可溶性盐采用硝酸盐或氯化物；将混合溶液转移到高压釜中反应，离心，得到前体生成物，煅烧后即得系列尖晶石纳米结构材料。在大批量低成本合成方面具有显著的优势。方法适用面广，产物纯度高、同一方法适用合成不同种类和形貌的尖晶石和类尖晶石纳米材料。采用低价安全的原料，简单的合成步骤，而且反应装置简单。反应溶剂可回收重复使用。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米结构材料，尤其是涉及一种高效的系列尖晶石纳米结构材料的合成方法。

背景技术

近年来，尖晶石类(AB₂O₄)材料在学术界和工业界都引起了广泛关注，这源自于其优良的理化性质，包括高熔点、高硬度、高机械强度、低热膨胀系数、良好的抗热震性能以及化学惰性等。目前尖晶石类材料广泛应用于耐火材料、耐高温红外窗口、湿度传感器、催化领域等。尖晶石是一种应用广泛的功能材料，但是天然存在的尖晶石很少，因此需要人工方法合成以满足各方面的应用需求。

人工合成尖晶石材料，最常见的方法是通过高温固态反应一步生成尖晶石材料。这种方法步骤简单、适于大批次的制备，但是不容易得到高纯度的产品，常伴有氧化物杂质。而且需要长时间高温(～1600℃)加热，不但能耗高而且导致生成物的比表面积很小，制约了此类材料的应用范围和效果。例如在催化剂领域，无论是直接用做催化剂还是作为催化剂载体，都需要大的比表面积。

提高材料比表面积的有效手段之一是块体材料纳米化。目前尖晶石纳米结构的合成是此类材料的研究热点，主要的合成方法包括：共沉淀法、溶胶凝胶法、声化学法、微乳液法和燃烧法等等。这些方法各有优缺点，突出的问题是成本高、步骤复杂，仅适合在实验室少量合成，不适于大批量的生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效的系列尖晶石纳米结构材料的合成方法。

本发明包括以下步骤：

1)将A的可溶性盐和B的可溶性盐溶解在醇类溶剂中，搅拌后得混合溶液；所述A选自Mg,Zn,Ni,Co,Ca,Cu,稀土元素Ln等中的一种；所述B选自Al,Si,Cr,Bi,Fe,Ga等中的一种；所述可溶性盐采用硝酸盐或氯化物等；

2)将步骤1)得到的混合溶液转移到高压釜中反应，离心，得到前体生成物；

3)将步骤2)得到的前体生成物煅烧，即得系列尖晶石纳米结构材料。

在步骤1)中，所述A的可溶性盐和B的可溶性盐的摩尔比可为1︰2；所述醇类溶剂可选自乙醇、丙醇、丁醇、己醇等中的至少一种；所述搅拌的时间可为1h。

在步骤2)中，所述高压釜可采用内衬为聚四氟乙烯的高压釜；所述反应的温度可为200℃，反应的时间可为24h。

在步骤3)中，所述煅烧可于800℃的空气中煅烧10h。

所得系列尖晶石纳米结构材料的化学式为AB₂O₄。

本发明通过盐类化合物(硝酸盐或者氯化物等)在醇类溶剂(乙醇、丙醇、丁醇、己醇中的一种或几种)中形成均匀混合物，采用水热及其后续高温处理等手段，合成了不同形貌与尺寸的尖晶石纳米结构材料。

本发明在大批量低成本合成方面具有显著的优势。具体来说，方法适用面广，产物纯度高、同一方法适用合成不同种类和形貌的尖晶石和类尖晶石纳米材料。本发明采用低价安全的原料，简单的合成步骤，而且反应装置简单。此外，反应溶剂可以回收重复使用，这是一种经济、实用、环保的合成路线，可实现工业化规模的生产。

附图说明

图1为系列尖晶石纳米结构材料产物SEM图。从左到右依次为：锌铝尖晶石，镁铝尖晶石，镍铝尖晶石纳米组装结构。

图2为MgAl₂O₄纳米结构XRD图及其拟合结果。

图3为锌铝尖晶石纳米结构水热实验前后XRD对比图。

图4为镁铝尖晶石纳米结构水热实验前后XRD对比图。

具体实施方式

本发明实施例包括以下步骤：

1)将A的可溶性盐和B的可溶性盐溶解在醇类溶剂中，搅拌后得混合溶液；所述A选自Mg,Zn,Ni,Co,Ca,Cu,稀土元素Ln等中的一种；所述B选自Al,Si,Cr,Bi,Fe,Ga等中的一种；所述可溶性盐采用硝酸盐或氯化物等；所述A的可溶性盐和B的可溶性盐的摩尔比可为1︰2；所述醇类溶剂可选自乙醇、丙醇、丁醇、己醇等中的至少一种；所述搅拌的时间可为1h。

2)将步骤1)得到的混合溶液转移到高压釜中反应，离心，得到前体生成物；所述高压釜可采用内衬为聚四氟乙烯的高压釜；所述反应的温度可为200℃，反应的时间可为24h。

3)将步骤2)得到的前体生成物煅烧，即得系列尖晶石纳米结构材料。所述煅烧可于800℃的空气中煅烧10h。

所得系列尖晶石纳米结构材料的化学式为AB₂O₄。

以下给出水热稳定性试验：

取合成实验生成尖晶石产物1g，分散到15mL去离子水中，混合物转移到20mL高压釜中200℃加热24h，离心后空气中200℃烘干，产物做XRD和SEM表征。

系列尖晶石纳米结构材料产物SEM图参见图1。MgAl₂O₄纳米结构XRD图及其拟合结果参见图2。锌铝尖晶石纳米结构水热实验前后XRD对比图参见图3。镁铝尖晶石纳米结构水热实验前后XRD对比图参见图4。