花瓣狀納米氫氧化鎂及氧化鎂的微波輔助合成

柴多里,張 檸,楊保俊

(合肥工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,安徽合肥 230009)

花瓣狀納米氫氧化鎂及氧化鎂的微波輔助合成

柴多里,張 檸,楊保俊

(合肥工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,安徽合肥 230009)

在微波輔助下,以硫酸鎂、NH3·H2O-NH4Cl緩沖溶液為原料,通過均相沉淀反應(yīng)制備了納米氫氧化鎂,經(jīng)煅燒又得到了納米氧化鎂。采用 X射線衍射 (XRD)、透射電鏡(TEM)、掃描電鏡 (SEM)、熱重分析 (TG)等分別對納米氫氧化鎂和氧化鎂的結(jié)構(gòu)、形貌及熱穩(wěn)定性進行了分析測試。結(jié)果表明,納米氫氧化鎂的結(jié)晶性能較好,其形貌為由厚度約 40 nm的納米片團聚而成的花瓣狀;納米氧化鎂亦保持了氫氧化鎂花瓣狀形貌。并對微波輔助下納米氫氧化鎂形成的可能機理進行了初步探討。

氫氧化鎂;氧化鎂;微波輔助;均相沉淀

氫氧化鎂作為一種重要的無機化工產(chǎn)品,可用作高分子材料的阻燃劑、煙氣除硫劑、抑煙添加劑和綠色水處理劑等。此外,在陶瓷、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。納米氫氧化鎂亦可以通過煅燒獲得納米氧化鎂[1]。氧化鎂納米粒子除了具有普通氧化鎂的光、電、磁、熱、力學(xué)和化學(xué)特性外,還具有優(yōu)異的催化活性、脫鹵化氫、氧化脫氫等作用,這些性能大大拓展了氧化鎂的應(yīng)用范圍。

微波輻射制備納米氫氧化鎂是一種新穎的、快速的化學(xué)合成輔助手段。Wu Huaqiang等[2]利用微波輔助的方法,在室溫下以硝酸鎂為鎂源、NaOH為沉淀劑合成了纖維狀納米氫氧化鎂;孫明等[3]采用微波固相法以乙酸鎂、H2C2O4·2H2O為原料合成了納米氧化鎂。筆者利用室溫下硫酸鎂在 pH= 10.6的NH3·H2O-NH4Cl緩沖溶液中穩(wěn)定存在的特性,采用間歇式微波輻射沉淀,制備了由納米片團聚而成的花瓣狀納米氫氧化鎂,經(jīng)進一步煅燒得到了形貌穩(wěn)定良好的納米氧化鎂。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

試劑:硫酸鎂、NH4Cl、氨水,均為分析純。

儀器:HJ-3數(shù)顯恒溫磁力攪拌器;D/max-γ B型 X射線衍射儀(Cu靶,Kα輻射,λ=1.54 06 nm,電壓和電流分別為 40 kV和 100 mA,掃描速度為6°/min,掃描范圍為 10～75°);H-800型透射電子顯微鏡(加速電壓為 200 kV)和 JEOL-7500B型掃描電子顯微鏡 (加速電壓為 20 kV);TA250型TGA差熱分析儀(氬氣保護,升溫速度為 10℃/min)。

1.2 實驗

準確稱量 27.0 g的NH4Cl加入 175 mL NH3· H2O中,然后用蒸餾水定容至 500 mL,配制成 pH= 10.6的NH3·H2O-NH4Cl緩沖液,密封備用。室溫下取 3.0 g的MgSO4溶于 50 mL的NH3·H2ONH4Cl緩沖液中(室溫下沒有沉淀產(chǎn)生),通過間歇式微波輻射,攪拌反應(yīng) 40 min、再陳化 2 h,過濾、用蒸餾水洗滌至無 SO2-4(BaCl2溶液檢測)。150℃下真空干燥 8 h,得到白色粉末狀產(chǎn)物A。

取適量的產(chǎn)物A在 850℃下煅燒,得到白色粉末狀產(chǎn)物B。

2 結(jié)果和討論

2.1 XRD及TEM分析

圖 1是不同微波輻射時間下所制備的納米氫氧化鎂樣品的 XRD譜圖。由圖 1可見,在 18.50、32.88、37.96、50.80、58.64、61.98、68.06、72.02°處出現(xiàn)的衍射峰,分別對應(yīng)于六方晶型Mg(OH)2的(001)、(100)、(101)、(102)、(110)、(111)、(103)、(201)晶面,與氫氧化鎂 JCPDS 07-0239標準衍射卡片相吻合,XRD譜圖中未見明顯的雜質(zhì)衍射峰,表明所制備的樣品為純相的六方晶型Mg(OH)2。

圖1 Mg(OH)2的XRD譜圖

圖 2為微波輻射時間為 8 min時,氫氧化鎂樣品的 TEM照片。從圖 2a可以看出,氫氧化鎂樣品出現(xiàn)團聚,形貌呈花瓣狀,直徑約 2.5μm;許多花瓣狀的樣品堆積在一起,形成如圖2b中的形貌。

圖2 Mg(OH)2樣品的TEM照片

2.2 SEM分析

圖 3a～c是微波輻射時間為 8 min時,制備的氫氧化鎂樣品的 SEM照片。由圖 3a可看到一簇簇的花瓣狀樣品堆積在一起,花的直徑約2.5μm;由圖3c可看到,每個“花瓣狀”結(jié)構(gòu)是由許多厚度約為40 nm的氫氧化鎂納米片不規(guī)則排列構(gòu)成。

圖 3d～f是微波輻射時間為 8 min時,制備的氫氧化鎂經(jīng)煅燒后所得氧化鎂樣品的 SEM照片。由圖3d可見,氧化鎂樣品與氫氧化鎂具有類似的花瓣狀形貌,直徑約為2.5μm;由圖 3f可以看出,由許多不規(guī)則片構(gòu)成的花瓣狀的形貌并沒有改變,氧化鎂納米片的厚度約為50 nm。

比較圖 3c、3f可知,氫氧化鎂納米片的表面較為光滑,經(jīng)煅燒后所制得的氧化鎂樣品的表面布有很多不規(guī)則的小孔,表面比較粗糙。其原因可能是在煅燒過程中Mg(OH)2分解生成的 H2O逸出后,在納米片表面及內(nèi)部產(chǎn)生了不均勻的空隙。

圖3 Mg(OH)2和MgO的SE M照片

2.3 TG分析

圖4 納米Mg(OH)2的TG曲線

圖 4是納米氫氧化鎂的 TG曲線。由圖 4可知,在 100℃以前的失重是氫氧化鎂的表面吸附水脫除造成的;在 100～316℃時的失重對應(yīng)于氫氧化鎂結(jié)晶水緩慢失去;在 316～388℃時的迅速失重對應(yīng)于氫氧化鎂發(fā)生分解反應(yīng)生成氧化鎂和水的過程,此溫度區(qū)間納米Mg(OH)2質(zhì)量損失達24.6%,比理論值 (30.8%)低,這說明氫氧化鎂并未分解完全;在 388℃之后未分解的氫氧化鎂仍在繼續(xù)分解,于是譜圖中又出現(xiàn)一個失重過程;在 800℃以后失重曲線趨于平緩,說明氫氧化鎂已基本分解完全。

2.4 微波輔助下氫氧化鎂的形成機理

微波輔助是通過反應(yīng)體系中的極性化合物偶極子轉(zhuǎn)向極化和界面極化實現(xiàn)的,極性分子隨著微波磁場的急速變化產(chǎn)生扭曲、旋轉(zhuǎn),使分子間相互摩擦產(chǎn)生熱能。

NH4OH在微波輻照作用下水解生成構(gòu)晶離子OH-,OH-與Mg2-結(jié)合,不斷產(chǎn)生Mg(OH)2晶核,當晶核的濃度達到飽和時,其生長速度就大于它的形成速度,晶核開始長大形成晶粒。在整個晶粒生長的過程中,OH-不斷消耗,而 NH4OH-NH4Cl緩沖溶液在微波的作用下,均勻、持續(xù)地提供OH-,緩沖溶液中的離子效應(yīng)與微波的作用同時保證了體系的 pH維持在 10.6左右,不僅始終大于Mg2-的沉淀pH(約為 9.4),而且不會因為 pH太高而造成Mg(OH)2嚴重團聚。實驗中微波的輻射是按照設(shè)定的頻率間歇式進行的,這樣保證了體系的溫度維持在一定范圍內(nèi),使得 NH4OH不會分解成 NH3而逸出體系,同時保證產(chǎn)生足夠的 OH-來沉淀Mg2-,以生成Mg(OH)2沉淀。

3 結(jié)論

采用間歇式微波輔助,以硫酸鎂為原料,在 NH3·H2O-NH4Cl緩沖溶液中均相沉淀制得了納米氫氧化鎂。TEM、SEM觀察顯示所制備的納米氫氧化鎂呈片狀,且許多氫氧化鎂納米片團聚成特殊的花瓣狀形貌,煅燒后得到的納米氧化鎂很好地保持了這種形貌;通過微波作用機理探討可知,在沉淀反應(yīng)中微波起到了關(guān)鍵性的作用。

[1] 張文博,王寶和,張偉.納米氫氧化鎂材料的制備與應(yīng)用[J].無機鹽工業(yè),2004,36(6):10-13.

[2] Wu Huaqiang,ShaoMingwang,Gu Jiashan,et al.Microwave-assisted synthesis of fibre-like Mg(OH)2nanoparticles in aqueous solution at room temperature[J].Materials Letters,2004,58(6): 2166-2169.

[3] 孫明,余林,余堅,等.微波固相法合成納米氧化鎂[J].功能材料,2006,37(12):1978-1981,1984.

聯(lián)系方式:cdl1957@sina.com

M icrowave-assisted synthesis of flower-like magnesium hydroxide and magnesium oxide nanoparticles

ChaiDuoli,ZhangNing,YangBaojun
(School of Chem ical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China)

Flower-like magnesium hydroxide[Mg(OH)2]nanoparticles were synthesized via homogeneous precipitation method under microwave irradiation,using MgSO4and NH3·H2O-NH4Cl buffer solution as reactants,then magnesium oxide(MgO)nanoparticles could be obtained through calcination.ObtainedMg(OH)2nanoparticles and MgO nanoparticleswere characterized separately in ter ms of conformation,morphology,and thermal stability by the means of XRD,TEM,SEM,TG and so on.Results showed that theMg(OH)2nanoparticles had good crystallization behavior and their morphologywas flower-like(formed by the aggregation of nano-filmswith about 40 nm in thickness);MgO nanoparticles also maintained theMg(OH)2′s special appearance.And the possible formation mechanism of nano-sized Mg(OH)2under the assistance ofmicrowave-assisted was discussed.

magnesium hydroxide;magnesium oxide;microwave-assisted;homogeneous precipitation

TQ132.2

A

1006-4990(2011)05-0040-03

2010-11-14

柴多里 (1957— ),男,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事精細化工、無機納米材料合成的研究和數(shù)學(xué)工作,已公開發(fā)表文章30余篇。