[发明专利]一种小尺寸、大比表面积碳酸根插层水滑石的制备及其应用

说明书

本发明涉及一种小尺寸、大比表面积碳酸根插层水滑石的制备及其应用。所述水滑石材料为典型的介孔材料，纳米尺度（10‑30 nm）及较大的比表面积，使其发挥出纳米材料的尺寸效应，提高了碳酸根插层水滑石的吸附性能和电催化OER性能。本发明制备的水滑石，原材料易得、价格低廉，制备简单、高效、低耗、快捷，可实现宏量制备，并且水稳定性和化学稳定性好。将其作为吸附剂时，对50 mg L^‑1的甲基橙溶液的吸附率高达92%；将其作为电催化剂时，在强碱性环境中还具有优异的电催化水氧化性能，20 mA cm^‑2对应的过电势仅为270 mV。

技术领域

本发明涉及电化学能源技术和污水处理领域，公开了一种小尺寸、大比表面积的碳酸根插层水滑石材料制备方法及其应用。

背景技术

随着工业社会的快速发展，能源和环境问题成为全球性关注的两大焦点问题。为了解决能源危机和缓解环境污染的压力，寻求可持续、清洁高效、环境友好的能源与环境材料迫在眉睫。

水滑石作为典型的二维层状材料，其介观形貌和尺寸可控、孔隙率高、传质扩散效率良好、表面功能基团丰富且层间阴离子易交换，在水环境治理领域作为吸附剂方面显示出巨大的优势；水滑石结构可调控（包括主体层板、客体阴离子、主-客体、金属元素等可调控）赋予其独特的物化性能，特别是在电化学领域作为电催化产氧（oxygen evolutionreaction, OER）催化剂展现优异的性能。然而，至今报道的水滑石材料，在未经煅烧、改性、复合、剥离等处理的情况下，尺寸大（几百纳米到几十微米不等）、比表面积较小（20-250 m²g^-1不等）、暴露出的吸附位点及电催化活性位点少，使其作为吸附剂的性能及作为OER电催化剂的性能均不佳。并且，碳酸根插层水滑石虽然合成极为简单，但难以通过层间离子交换实现对低价态阴离子的吸附，从而使其未能得到有效利用。

产生这种困境的关键原因在于制备纳米量级水滑石存在制备程序复杂、成本高、不能批量合成、难以可控制备等，导致未能发挥纳米尺度（1-100 nm）水滑石材料的优势。

发明内容

本发明针对常规方法合成的水滑石尺寸较大、比表面积较小等特性，致使其吸附性能和电催化性能不佳的问题，提出了一种简单、高效、低耗、快捷、且可宏量制备小尺寸、大比表面积碳酸根插层水滑石材料的方法。通过本发明方法所获得水滑石材料为一种低结晶度的介孔材料，并通过一系列材料测试与结构性能表征显示该材料尺寸小、比表面积大，这些结构特征增加了材料的表面活性位点数量，使该材料表现出优异的吸附性能和电催化OER性能。

本发明制备的水滑石吸附剂和电催化剂，其化学通式为[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n^.mH₂O，作为吸附剂时M²⁺可以是Mg²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺等,作为电催化剂时M²⁺可以是Ni²⁺，Co²⁺等，M³⁺可以是Al³⁺，Fe³⁺等；0.15≤x≤0.45；层间阴离子A^n-为CO₃^2-，n为2；m为每个LDH分子中层间结晶水分子的个数。

小尺寸、大比表面积碳酸根插层水滑石材料的制备方法，包括如下步骤：