[发明专利]一种类球形α－磷酸锆及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种类球形磷酸锆材料的制备方法。具体涉及一种颗粒尺寸在10至100μm之间可调的类球形磷酸锆及其制备方法。该磷酸锆材料能够作为催化剂、催化剂载体、吸附剂、离子交换剂等得到使用。

背景技术

近年来纳米材料的应用已经越来越广泛，在各种各样的纳米材料中，具有纳米级层间距的层状化合物以其独特的插层反应特性和丰富而优异的物理和化学特性呈现广阔的发展前景，使得层状化合物在科技和工业领域中成为国内外研究热点。磷酸锆类化合物是近年来发展起来的一大类多功能层状材料，其中以含一分子结晶水的α-磷酸锆(a-Zr(HPO₄)_2·H₂O，简写为a-ZrP)最具有代表性。α-磷酸锆的层与层之间是以ABAB的方式堆积在一起的。每一层由近似处于同一平面的Zr原子，以及将Zr原子夹在中间的上下两层O₃P-OH构成。指向层内空间的O₃P-OH基团与Zr原子共用3个氧原子，其氢质子(P-OH)可以被交换，层内的水分子与一个层面上的P-OH形成氢键，层与层之间的作用力是范德华力，层间距为0.76nm，每一个P-OH基团周围的自由面积为0.24nm²(Alberti G，Vivani R，Marmottini F，Zappelli P.J.Por.Mater.，1998，5：205-220；耿利娜，相明辉，李娜，李克安.化学进展，2004，85：28-31)。

α-磷酸锆不溶于水和有机溶剂，能耐强的酸度和一定碱度，热稳定性和机械强度很强，层状结构稳定，有较大的比表面积，表面电荷密度较大。α-磷酸锆结构中伸向层间的-OH基团中的H质子具有酸性，是一种固体酸。α-磷酸锆层间的H质子可以直接或间接与金属离子进行交换，具有象离子交换树脂一样的离子交换性能。与离子交换树脂相比，它的优点在于具有较好的热稳定性。另外，α-磷酸锆的层间质子对强的Bronsted碱有很强的亲合性，因而其层间区域可以插入胺、醇、吡啶等极性分子。插入这些分子以后层间距发生了不同程度的变化，这与插入客体的大小和极性有关系。α-磷酸锆的催化性能不仅在于它本身的酸性，更重要的在于它与其它插层客体(或者柱撑剂)相结合后的复合催化性能。一方面，其它客体的插入使它的酸性具有可调变性；另一方面，其它功能性客体的插入使其具有复合的催化性能；另外，其它客体的插入改善了其孔道结构的几何特性，从而改善了择形性能。

α-磷酸锆由于具有上述的优异特性而倍受青睐，在插层科学领域、催化领域、吸附领域、分离领域、电学领域、光学领域，分子识别领域、生物领域等方面都有广泛的研究。

目前，已经有多篇文章报道α-磷酸锆作为催化剂、催化剂载体、吸附剂和离子交换剂等材料具有优异的性能。然而，在上述报道中，α-磷酸锆均是以粉体材料的形式来使用。众所周知，无机粉体颗粒的成型对于实现其工业催化或者分离应用具有实际的重要的意义。然而，有关α-磷酸锆成型方面的研究则非常少。目前，国内外文献中仅有一篇关于制备α-磷酸锆泡沫的报道(Florent Carn，Alain Derre′，Wilfrid Neri，OdileBabot，Herve′Deleuzeb，Re′nal Backov，New J.Chem.，2005，29：1346-1350)。作者报道采用空气—液体发泡法(air-liquid foam shaping method)首次制得整体式三维尺寸的大孔α-磷酸锆泡沫。实验中首先采用甲胺溶液将α-磷酸锆粉体进行剥层，制得单层α-磷酸锆胶体，然后在空气—液体发泡装置中鼓泡得到泡沫液。最后将此亚稳态的泡沫液在-80℃条件下冷冻干燥得到最终产品。α-磷酸锆泡沫的孔尺寸可以通过发泡装置中多孔玻璃盘的孔径来控制，在16至160μm之间可调。

发明内容

本发明的目的是提供一种类球形磷酸锆及其制备方法。

本发明提供的类球形磷酸锆所采用的制备方法是：回流法合成层状α-磷酸锆粉体，然后通过有机胺溶液如甲胺、乙胺、乙二胺、二乙胺等处理，将层状α-磷酸锆原粉进行剥层，得到单层α-磷酸锆胶体。最后使用旋转式喷雾干燥器进行成型，制得类球形α-磷酸锆。通过控制喷雾干燥条件来调变成型颗粒的粒径尺寸，从而得到颗粒尺寸在10～100μm之间，晶型为α型类球形磷酸锆。

具体制备步骤如下：

A.α-磷酸锆原粉的合成