烏魯木齊水滑石
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)具有催化作用而開始對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究；1969年Allmann等人通過測(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。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600℃時(shí)，則分解后形成的金屬氧化物開始燒結(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)無法恢復(fù)。
組成和結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性
由于LDHs沒有固定的化學(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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