共沉淀法制备介孔氧化镁及表征

张文燕，王俐聪，吴 丹，路绍琰，王 亮，张 琦，黄西平

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

1 前言

介孔氧化镁作为一种介孔材料，具有较大的比表面积、孔体积以及孔径分布均匀[1]等特点，可应用于脱除水中的氟离子[2]和废水中的重金属离子[3-4]，还可作为催化剂载体应用于脱氢、脱羧等催化领域[5-6]。常见的介孔氧化镁的制备方法有模板法[7-8]、溶胶—凝胶法[9]、水热法[10]、共沉淀法[11]。其中，共沉淀法因具有原料廉价易得、工艺简单，便于推广和工业化的特点而备受关注。采用共沉淀法制备介孔氧化镁，影响产物性质的因素主要有反应温度、原料组成、搅拌时间等。Shashikala Veldurthi[11]等以硝酸镁为镁源，氢氧化钠为沉淀剂制备介孔氧化镁，考察了反应温度对介孔氧化镁的微观形貌的影响。杨凯旭等[12]以硝酸镁为镁源，氨水为沉淀剂，考察了不同表面活性剂对介孔氧化镁晶体物化性质的影响。实验则采用共沉淀法，以六水氯化镁(MgCl2·6H2O)为镁源，无水碳酸钠(Na2CO3)为沉淀剂，加入表面活性剂调节反应过程中前驱体的表面能防止团聚，制备介孔氧化镁，重点考察不同搅拌时间对介孔氧化镁晶相组成、微观形貌、尺寸大小的影响。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

试剂：六水氯化镁(MgCl2· 6H2O)，天津市广成化学试剂有限公司；无水碳酸钠(Na2CO3)，天津市广成化学试剂有限公司；聚对苯乙烯磺酸(PSS)，北京百灵威科技有限公司；以上试剂均为分析纯。

仪器：79-3型恒温磁力搅拌器，上海司乐仪器有限公司；DH-101-1电热恒温鼓风干燥箱，天津市中环实验电炉有限公司；SHZ-D(III)循环水式多用真空泵，上海力辰邦西仪器科技有限公司；SX2-12-12马弗炉，天津市天骄工业有限公司实验电炉厂。

2.2 介孔氧化镁的制备

以六水氯化镁(MgCl2· 6H2O)为镁源，无水碳酸钠(Na2CO3)为沉淀剂，聚对苯乙烯磺酸(PSS)为表面活性剂。配制0.33 mol/L的氯化镁和碳酸钠溶液，在磁力搅拌下，将150 mg PSS加入50 mL氯化镁溶液中，待完全溶解后，加入等体积的碳酸钠溶液，搅拌不同的时间后，静置16 h。过滤、洗涤后，70 ℃干燥4 h，马弗炉500 ℃煅烧3 h，最终得到目标产物。

2.3 介孔氧化镁的表征

采用X射线衍射仪(XRD，Rigaku Ultima IV)分析样品的晶相组成。采用场发射扫描电子显微镜(SEM，XL30，Philips)对样品的微观形貌进行观察。采用快速比表面与孔隙度分析仪(ASAP 2020 PLUS HD88)对样品比表面积及孔结构参数进行分析。

3 结果与讨论

3.1 XRD分析

不同搅拌时间制得介孔氧化镁的XRD谱图如图1所示。制得产品均为纯相立方晶系氧化镁(JCPDS No.45-0946)，由图1可以看出(111)、(200)、(220)、(311)、(222)典型衍射峰。由图1可知，在介孔氧化镁制备过程中，不同搅拌时间对介孔氧化镁晶相组成和结晶度影响不大。沉淀法制备介孔氧化镁时，不同搅拌时间主要影响前驱体水合碳酸镁的形貌和颗粒大小，前驱体经500 ℃煅烧，发生晶相转变。因此，在同一煅烧条件下，不同搅拌时间对介孔氧化镁晶相组成和结晶度影响较小。

图1 不同搅拌时间制得介孔氧化镁的XRD谱图Fig.1 XRD patterns of mesoporous MgO prepared at different stirring times

3.2 产品形貌

不同搅拌时间制得介孔氧化镁微观形貌如图2所示。

图2 不同搅拌时间制得介孔氧化镁的SEM照片Fig.2 SEM images of mesoporous MgO prepared at different stirring times

当搅拌时间为5 min(图2a)时，产物直径为6 μm～8 μm，呈不规则柱状结构。当搅拌时间为10 min(图2b)时，产物直径变为2 μm～3 μm针状颗粒，当搅拌时间进一步延长至20 min(图2c)，产物直径减小至0.8 μm～1.5 μm。由图2可知，搅拌时间对介孔氧化镁的微观形貌和颗粒大小具有较大影响。搅拌时间在液相反应中是重要参数，当搅拌时间较短时，溶液中的颗粒具有较低的质量传质系数，限制较小晶核自组装成为针状的颗粒。随着搅拌时间的增加，通过反应更容易生成较小的晶核，进而经过自组装生成较小的颗粒，且随搅拌时间的延长颗粒尺寸减小。

3.3 BET分析

文章选取搅拌时间为20 min制得介孔氧化镁进行比表面积、孔结构参数进行分析。吸附—脱附等温线、孔径分布如图3所示。样品的比表面积、孔容和平均孔径分别为210.16 m2/g、0.30 cm3/g和3.7 nm。制得介孔氧化镁的等温线属于IUPAC分类中的IV型，H2型回滞环，吸附等温线上有饱和的吸附平台。结合SEM照片分析结果，表明样品针状颗粒中存在管形孔，是典型的介孔氧化镁。

图3 介孔氧化镁的吸附-脱附等温线、孔径分布图Fig.3 Nitrogen adsorption-desorption isotherms and pore-size distribution of mesoporous MgO

4 结论

常温条件下，采用沉淀法成功制备了不同尺寸大小的介孔氧化镁。并对产物的晶相组成、微观形貌和孔结构进行了分析。不同的搅拌时间对介孔氧化镁的晶相组成和结晶度影响不大，但对产物形貌和尺寸有较大的影响。搅拌时间在5 min～20 min变化时，制得介孔氧化镁直径由8 μm减小至0.8 μm，实现了介孔氧化镁颗粒尺寸的可控制备。