[发明专利]以表面活性剂为模板制备有序层状纳米/介孔结构氧化锆多晶粉体的方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案属于有序纳米结构、介孔结构材料技术合成领域，具体为一种以表面活性剂为模板制备有序层状纳米/介孔结构氧化锆多晶粉体的方法。

背景技术

氧化锆是唯一具有表面酸性位和碱性位的过渡金属氧化物，具有优良的离子交换性能、高温导电性及表面富集的氧缺位，可用作催化剂、电极材料、固体电解质和气体传感材料。另外其优良的机械、热学、光学、电学性质，在高温结构材料、燃料电池、橡胶、陶瓷等领域也有广泛的应用。有序纳米结构或介孔结构的氧化锆具有更优异的相关性能。

制备氧化锆常用的方法有机械化学球磨法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法和微波水热法等。表面活性剂作为模板剂在纳米结构材料的合成中起着十分重要的作用，人们已经利用表面活性剂分子的立体几何效应、自组装效应等，制备出了具有不同介观图式结构的新材料。目前，有序纳米结构氧化锆的研究中，如(刘孝恒，John White，汪信.表面活性剂模板法在空气-水界面ZrO₂薄膜中的稳定性，无机化学学报，2005，12：1827)，该文献报道了一种以十二烷基苯磺酸(DBS-H)为模板在空气-水界面组装成了ZrO₂薄膜的方法，其无机薄膜为新型层状材料，但其骨架为无定形ZrO₂。无定形骨架的缺点是热稳定差，这大大限制了它的应用。提高热稳定性的途径之一，就是制备晶态骨架。兼顾有序纳米结构和晶态骨架成为合成研究的难点和关键所在，通过对比研究表明，单纯的回流、水热均不能实现上述目标(参见对比例)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种以表面活性剂为模板制备有序层状纳米/介孔结构氧化锆多晶粉体的方法。该方法以表面活性剂为模板，采用“回流-水热”相结合的新方法制备具有有序层状纳米结构和介孔结构的氧化锆多晶粉体，而且该多晶粉体还表现出很好的热稳定性。以克服已有纳米氧化锆粉体的制备方法工艺复杂、条件苛刻、成本高和结晶性差、热稳定性低、氧化锆纳米晶排列无序等缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种以表面活性剂为模板制备有序层状纳米/介孔结构氧化锆多晶粉体的方法，其步骤是：

(1)取20份浓度为0.00015摩尔氧氯化锆/每毫升水的氧氯化锆溶液，再加入0～40份的醇，配制成氧氯化锆-水-醇的混合液，待用；

(2)取20份浓度为0.009～0.018克十二烷基磺酸钠/毫升水的十二烷基磺酸钠溶液，再加入0～40份的醇，配制成十二烷基磺酸钠-水-醇的混合液，待用；

(3)取10份浓度为0.036～0.072克氢氧化钠/毫升水的氢氧化钠溶液，再加入0～20份的醇，配制成氢氧化钠-水-醇的混合液，待用；

(4)在搅拌条件下，将步骤(2)和(3)中配制的混合液加入到步骤(1)中的烧瓶中，升温，回流反应1～4小时；

(5)然后将步骤(4)中所得的混合物移到反应釜，升温到115～160℃，自生压力下水热反应12～36小时；

(6)室温下原液静置0～3天，然后水洗，再经抽滤或离心分离，烘干，得到白色粉末；

(7)将(6)中所得的粉末升温至500℃后煅烧2小时，得到产物为有序层状纳米/介孔结构氧化锆多晶粉体；

上述组分的份数均为体积份数，且各步骤中所用的体积单位相同。

上面步骤(1)、(2)和(3)中所述的醇为乙醇或乙二醇。

上面步骤(7)中的升温过程是以5摄氏度/分钟的速度升温。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用“回流-水热”相结合的新方法，以表面活性剂为模板，制备了同时具有有序层状纳米结构和介孔结构的氧化锆多晶粉体。回流法和水热法相结合，既提高了产物的有序度，又保证了产物良好的热稳定性。

2.本发明方法所得到的氧化锆多晶粉体是同时具有有序层状纳米结构和介孔结构的氧化锆多晶粉体。如图4a所示，产物中厚度约为0.58纳米的片状纳米氧化锆和纳米孔道平行相间排列自组装成有序层状纳米结构，该层的重复周期约为1.16纳米与XRD小角衍射对应的d值相一致。如图4b所示，产物中还有大量的介孔结构其孔径范围集中在3.5和7.2纳米，与BJH法得到的孔分布相一致。从图1产物的XRD谱图可以看出，产物为四方相和单斜相氧化锆纳米晶，且经过500℃煅烧后，一方面，其XRD小角部分仍保持着明显的衍射峰，另一方面，物相峰没有发生明显变化，两方面均说明产物具有很好的热稳定性。

3.本发明方法中，采用毒性低的阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠为模板剂，有利于无毒害生产和环境保护。