[发明专利]一种低温快速制备碳酸根型类水滑石单层纳米片的方法

说明书

本发明涉及一种低温快速制备碳酸根型类水滑石单层纳米片的方法。以混合溶剂为反应介质，通过调控混合溶剂的组成和配比，在常压下水浴加热反应一步合成碳酸根型HTlc单层纳米片，可分散于水中形成稳定分散体。本发明操作简单，反应温度低，反应时间短，无需复杂的反应设备，成本低廉，所用溶剂环境友好，易于产业化。该方法制备的单层纳米片在储能材料、催化、药物控释、环境保护以及生物化学等方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种低温快速制备碳酸根型类水滑石单层纳米片的方法，属于二维层状材料制备领域。

背景技术

类水滑石(HTlc)，也称层状双氢氧化物(LDHs)，是一种无机层状材料，层片带结构正电荷，层间存在可交换阴离子，以平衡层片的结构正电荷，在催化剂、电磁材料、储能材料、医药载体、离子交换和吸附剂、有机-无机杂化材料、阻燃剂以及水凝胶等领域具有广泛的应用前景。HTlc一般由二价和三价金属离子组成，可依据其层间阴离子类型予以命名，如层间阴离子为CO₃^2-、NO₃^-或Cl^-时，称为碳酸根型(简记为CO₃-HTlc)、硝酸根型(NO₃-HTlc)或氯离子型(Cl-HTlc)。常规方法如共沉淀法、水热法、溶剂热法和结构重建法等，合成的HTlc一般是由15～20层组成的厚片状颗粒，甚至是宏观无规则(微米级石头状)颗粒。研究表明，HTlc以单层片状态存在时，较厚片状颗粒具更优越的性能，同时单层片也可作为组装基元构筑复合功能材料，因而备受关注。

HTlc单层纳米片的制备方法可分为两类：其一是“由上至下”(top-down)的剥离法，其二是“由下至上”(bottom-up)的化学合成法。剥离法是先合成出表面活性剂插层HTlc，再在溶剂如甲酰胺、二甲基亚砜、氯仿或甲苯等中剥离，得到负载有表面活性剂的HTlc单层纳米片溶剂分散体。只有NO₃-HTlc可在甲酰胺中直接剥离，形成纳米薄片甲酰胺分散体。化学合成法包括反相微乳液法、共沉淀法和水热/溶剂热法，都是在表面活性物质和有机溶剂(如甲酰胺)辅助下制备的。现有的剥离法和化学合成法，因使用了表面活性剂和/或毒性有机溶剂，限制了其应用。另外，这些方法可用于制备NO₃-HTlc和Cl-HTlc单层纳米片，还不能制备CO₃-HTlc单层纳米片。因碳酸根阴离子与带结构正电荷的层片间的静电吸引作用强于硝酸根型和氯离子阴离子，故CO₃-HTlc单层纳米片难以稳定存在。CO₃-HTlc的很多性能如催化和储能等明显优于NO₃-HTlc和Cl-HTlc，宏量制备CO₃-HTlc单层纳米片具有重要的实际应用价值，但其具挑战性。

关于碳酸根型类水滑石的制备，也有诸多专利文件报道，例如：CN108946773A公开了一种碳酸根型水滑石类化合物的制备方法，该方法以二价金属氧化物或氢氧化物与三价金属氢氧化物为主要原料，复配与二价金属氧化物或氢氧化物相同金属的二价金属碳酸盐(正盐或碱式碳酸盐)用于提供碳酸根，经一步超声波辅助的水热反应直接合成结构规整、粒度均匀的类水滑石化合物。但是，该方法制备得到的碳酸根型类水滑石为块体或厚片，无法得到碳酸根类型的类水滑石单层纳米片。

此外，本发明的发明人前期的专利文件CN 110078135A公开了一种碳酸根型类水滑石单层纳米片的绿色制备方法，以混合溶剂为反应介质，通过调控混合溶剂的组成和配比，加热反应一步合成碳酸根型HTlc单层纳米片，可分散于水或乙醇中形成稳定分散体。然而，此方法反应时间较长，需要16小时以上，反应温度高于100℃，并且在高压反应釜中进行反应，需要的成本较高。

发明内容