杭州水滑石
層狀雙金屬氫氧化物（Layered Double Hydroxide,LDH）是水滑石（Hydrotalcite,HT）和類水滑石化合物（Hydrotalcite-Like Compounds,HTLCs）的統(tǒng)稱，由這些化合物插層組裝的一系列超分子材料稱為水滑石類插層材料（LDHs）。1842年Hochstetter首先從瑞典的片巖礦層中發(fā)現(xiàn)了天然水滑石礦；二十世紀(jì)初人們由于發(fā)現(xiàn)了LDH對(duì)氫加成反應(yīng)具有催化作用而開(kāi)始對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究；1969年Allmann等人通過(guò)測(cè)定LDH單晶結(jié)構(gòu)，首次確認(rèn)了LDH的層狀結(jié)構(gòu)；二十世紀(jì)九十年代以后，隨著現(xiàn)代分析技術(shù)和測(cè)試手段的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)LDHs結(jié)構(gòu)和性能的研究不斷深化。
外文名:Layered Double Hydroxide,LDH
水滑石基本信息
水滑石結(jié)構(gòu)特征
LDHs是由帶正電荷的主體層板和層間陰離子通過(guò)非共價(jià)鍵的相互作用組裝而成化合物，它的結(jié)構(gòu)類似于水鎂石Mg(OH)2，由MgO6八面體共用棱形成單元層。有以下幾個(gè)很突出的特點(diǎn)：（1）主體層板的化學(xué)組成可調(diào)變；（2）層間客體陰離子的種類和數(shù)量可調(diào)變；（3）插層組裝體的粒徑尺寸和分布可調(diào)控
典型的LDHs化合物是鎂鋁碳酸根型水滑石：Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O[4]。LDHs的結(jié)構(gòu)非常類似于水鎂石[Mg(OH)2]，由MgO6八面體共用棱形成單元層，位于層上的Mg2+可在一定的范圍內(nèi)被Al3+同晶取代，使得層板帶正電荷，層間有可交換的CO32-與層板上的正電荷平衡，使得LDHs的整體結(jié)構(gòu)呈電中性。由于層板和層間陰離子通過(guò)氫鍵連接，使得LDHs層間陰離子具有可交換性。此外，在LDHs中存在層間水這些水分子可以在不破壞層狀結(jié)構(gòu)條件下除去。
水滑石性質(zhì)
堿性
LDHs的層板由鎂八面體和鋁氧八面體組成。所以，具有較強(qiáng)的堿性[5]。不同的LDHs的堿性強(qiáng)弱與組成中二價(jià)金屬氫氧化物的堿性強(qiáng)弱基本一致，但由于它一般具有很小的比表面積(約5—20m2/g)，表觀堿性較小，其較強(qiáng)的堿性往往在其煅燒產(chǎn)物L(fēng)DO中表現(xiàn)出來(lái)。LDO一般具有較高的比表面積(約200—300m2/g)、三種強(qiáng)度不同的堿中心和不同的酸中心，其結(jié)構(gòu)中間中心充分暴露，使其具有比LDH更強(qiáng)的堿性。
層間陰離子的可交換性
LDHs的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其層間陰離子可與各種陰離子，包括無(wú)機(jī)離子、有機(jī)離子、同種離子、雜多酸離子以及配位化合物的陰離子進(jìn)行交換[6]。利用LDHs的這種性質(zhì)可以調(diào)變層間陰離子的種類合成不同類型的LDHs，并賦予其不同的性質(zhì)，從而得到一類具有不同功能的新材料。
熱穩(wěn)定性能
LDHs加熱到一定溫度發(fā)生分解，熱分解過(guò)程包括脫層間水，脫碳酸根離子，層板羥基脫水等步驟。在空氣中低于200℃時(shí)，僅失去層間水分，對(duì)其結(jié)構(gòu)無(wú)影響，當(dāng)加熱到250~450℃時(shí)，失去更多的水分，同時(shí)有CO2生成，加熱到450~500℃時(shí)，CO32-消失，完全轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，生成雙金屬?gòu)?fù)合氧化物（LDO）[7]。在加熱過(guò)程中，LDHs的有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)被破壞，表面積增加，孔容增加。當(dāng)加熱溫度超過(guò)600℃時(shí)，則分解后形成的金屬氧化物開(kāi)始燒結(jié)，致使表面積降低，孔體積減小，通常形成尖晶石MgAl2O4和MgO。
記憶效應(yīng)
在一定溫度下將LDHs焙燒一定時(shí)間的樣品（此時(shí)樣品的狀態(tài)通常是LDH中金屬離子的復(fù)合氧化物）加入到含有某種陰離子的溶液介質(zhì)中，其結(jié)構(gòu)可以部分恢復(fù)到具有有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的LDHs。一般而言，焙燒溫度在500℃以內(nèi)，結(jié)構(gòu)的恢復(fù)是可能的，以MgAl-LDHs為例，溫度在500℃內(nèi)的焙燒產(chǎn)物接觸到水以后其結(jié)構(gòu)可以部分恢復(fù)到具有有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的LDH；當(dāng)焙燒溫度在600℃以上時(shí)生成具有尖晶石結(jié)構(gòu)的焙燒產(chǎn)物，則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)無(wú)法恢復(fù)。
組成和結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性
由于LDHs沒(méi)有固定的化學(xué)組成，其主體層板的元素種類及組成比例、層間陰離子的種類及數(shù)量、二維孔道結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要在寬范圍調(diào)變，從而獲得具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料。LDHs組成和結(jié)構(gòu)的可調(diào)變性以及由此所導(dǎo)致的多功能性，使LDHs成為一類極具研究潛力和應(yīng)用前景的新型材料。
阻燃性能
LDHs在受熱時(shí)，其結(jié)構(gòu)水合層板羥基及層間離子以水和CO2的形式脫出，起到降低燃燒氣體濃度，阻隔O2的阻燃作用；LDHs的結(jié)構(gòu)水，層板羥基以及層間離子在不同的溫度內(nèi)脫離層板，從而可在較低的范圍內(nèi)（200~800℃）釋放阻燃物質(zhì)。在阻燃過(guò)程中，吸熱量大，有利于降低燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫
[8-9]，可以作為無(wú)鹵高抑煙阻燃劑，廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料等領(lǐng)域 。
紅外吸收性能
LDHs在1370cm-1附近出現(xiàn)層間CO32-的強(qiáng)特征吸收峰，在1000~400cm-1范圍有層板上M-O鍵及層間陰離子的特征吸收峰，并且其紅外吸收范圍可以通過(guò)調(diào)變組成加以改變[10-11] 。、
催化性
將催化活性物種插入水滑石層間，以水滑石為前體，通過(guò)焙燒可制備高分散復(fù)合金屬氧化物型催化劑，一般具有過(guò)渡金屬含量高活性位分布均勻晶粒小比表面積大可以抑制燒結(jié)良好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，在催化劑或催化劑載體等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用
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