[发明专利]利用凹凸棒石制备二维纳米片硅酸盐的方法及其应用

说明书

本发明属于化工新材料技术领域，具体涉及利用凹凸棒石制备二维纳米片硅酸盐的方法及其应用，制备过程包括：首先对凹凸棒石粉末进行一维晶束的分散解离，并均匀分散在酸溶液中，洗涤、烘干沉淀物得到白色前驱物。再将白色前驱物分散于水中形成悬浊液并超声分散，再滴入NH₄NO₃、氨水及金属硝酸盐，接着将悬浊液转移至聚四氟乙烯反应釜中，进行微波水热反应，反应结束离心分离出固体，洗涤，烘干，研磨成粉末得到二维硅酸盐，应用于光催化二氧化碳制甲醇。本发明制备出具有良好二氧化碳制甲醇的光催化剂，相比于传统贵金属催化剂而言，其具有原料成本低廉，合成方法简便等优势，有利于大规模推广。

技术领域

本发明属于化工新材料技术领域，具体涉及利用凹凸棒石制备二维纳米片硅酸盐的方法及其应用。

背景技术

近年来，为了实现“碳达峰”“碳中和”的国家战略目标，二氧化碳资源化利用已成为研究的热点方向。现代社会发展极度依赖稳定可靠的能源供应，促使人们加紧开发可持续和可再生能源以减轻化石燃料的依赖。二氧化碳光催化还原一直是太阳能利用和存储的一大研究方向，这一路径可以直接将二氧化碳氢化，转化为可供人们利用的碳氢燃料。甲醇是最简单的饱和醇，广泛用于有机合成、医药、农药、涂料、染料、汽车和国防等工业中，也是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。目前光催化剂多采用贵金属沉积或稀土离子掺杂等方法来提高其还原二氧化碳效果，成本较高。此外，部分催化剂如硫化铟锌等由于其花状球体过大且易坍塌，致使其光催化性能受到严重影响。于是，研究者们将视线转向储量丰富，价格低廉且具有纳米尺寸的天然矿物，以求开发出能够克服上述缺点的新型催化剂。

凹凸棒石作为一种天然的矿物粘土材料，在我国储量丰富，其良好的分散性，较大的比表面积以及独特的一维纳米棒状结构，多用作催化剂载体。从物化性质出发，对凹凸棒石的改性可包括酸化，碱化，表面官能化，离子交换等。从结构出发，凹凸棒石是六环基型硅酸盐矿物晶体，凹凸棒石特有的链层结构由六环状基型硅氧四面体组成，在凹凸棒石中六环状基型硅氧四面体顶点呈现交替上下翻转，并组成链状结构，由于金属镁原子的存在作为支撑，因矿石本身形成的地质条件呈现出链层结构，层间阳离子配位数常为6配位，在去除原有阳离子八面体的情况下，其空间分布得以重塑，并发生横向铺展。凹凸棒石中过渡元素常为Fe²⁺,Fe³⁺，但其含量较低，故而其对光的吸收性较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种价格低廉，原料易得，光生电子空穴分离效率高的光催化二氧化碳还原材料的制备和应用，具体为利用凹凸棒石制备二维纳米片硅酸盐的方法及其应用。其制备方法简单、合成条件温和且不需要复杂昂贵的设备，有利于大规模推广。

为了实现本发明目的，所采用的技术方案为：

本发明提供的二维纳米片硅酸盐材料组成通式为：MSiO₃，其中，M为Fe、Co、Cu、Ni中的任意一种。

利用凹凸棒石制备二维纳米片硅酸盐的方法，包括以下步骤：

(1)将凹凸棒石粉末浸入3～7mol/L的盐酸溶液混合搅拌预处理0.5～4h，凹凸棒石粉末与盐酸溶液的固液比优选1:1。盐酸浓度过高和预处理时间过长会导致六环状基型硅氧四面体解离，盐酸浓度过低和预处理时间过短会导致金属阳离子不完全去除和限制六环状基型硅氧四面体的分散。然后洗涤，烘干，得预处理后的凹凸棒石粉末；

(2)将步骤(1)预处理后的凹凸棒石粉末分散到小于5mol/L的酸溶液中(酸溶液可以为盐酸、硝酸或硫酸中的一种)，水热搅拌4h～16h后分离出固体，洗涤，烘干得到六环状基型硅氧四面体白色前驱物。本步骤中预处理后的凹凸棒石粉末与盐酸溶液的固液比优选1:10，且盐酸溶液的浓度为2mol/L。本步骤时间控制是关键，时间太长会让六环状基型硅氧四面体单元解离，影响合成硅酸盐的形貌，时间过短会使得金属离子去除不完全，影响后续硅酸盐的纯度，同时影响硅酸盐结构形貌。