金属氢氧化物的制备和性质研究

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铁的氢氧化物的性质

铁的氢氧化物的性质铁的氢氧化物是一种重要的无机化合物，是由铁和氧化氢所组成的化合物。

在生产和工业上，铁的氢氧化物广泛应用于制备纯净的铁、金属表面处理、防锈涂料、磁性介质等方面。

本文主要介绍铁的氢氧化物的性质。

1. 化学性质铁的氢氧化物主要分为Fe(OH)2和Fe(OH)3两种。

两种氢氧化物都具有强还原性和强碱性。

在空气中，Fe(OH)2会被氧化成Fe(OH)3，因此，通常情况下只存在Fe(OH)3。

(1) 酸碱性由于铁的氢氧化物是一种碱性物质，它可以与酸反应产生水和相应的盐。

例如，Fe(OH)3可以与盐酸反应，生成水和氯化铁：Fe(OH)3 + 3HCl → FeCl3 + 3H2O(2) 氧化性铁的氢氧化物在空气中容易被氧化成Fe2O3，因此长时间储存的Fe(OH)3会逐渐变质。

此外，铁的氢氧化物也可以被还原成铁或Fe2+。

例如，Fe(OH)3在还原性气氛中，可以被还原成黑色的Fe(OH)2。

(3) 沉淀性铁的氢氧化物也是一种沉淀剂。

在水中，Fe(OH)3可以很容易地沉淀出来形成Fen(OH)m的胶状物质，其中n和m分别表示氢氧根离子和铁离子的配位数。

当水中含有过多的碳酸盐离子时，铁的氢氧化物会发生碳酸化反应生成不溶性的FeCO3，这也是防止铁的氢氧化物沉淀的方法之一。

2. 物理性质(1) 外观铁的氢氧化物一般是棕色或红棕色的粉末，也可以是胶状物质。

(2) 溶解性Fe(OH)2在水中不易溶解，而Fe(OH)3则易溶于酸和碱中，但不溶于水。

在NH4OH溶液中，铁的氢氧化物具有良好的溶解性，但是晶体很容易变质。

(3) 密度和熔点Fe(OH)2的密度约为3.4 g/cm3，熔点为842°C；Fe(OH)3的密度约为3.4-3.8 g/cm3，熔点为约300°C。

3. 应用铁的氢氧化物作为一种重要的无机化合物，有广泛的应用。

以下是它的主要用途：(1) 制备纯净的铁铁的氢氧化物可以直接还原制备出纯铁。

层状双金属氢氧化物

包装工程第44卷第19期·104·PACKAGING ENGINEERING2023年10月层状双金属氢氧化物/聚乙烯醇气体阻隔薄膜材料制备及性能研究张子怡，李梦冉，薛程，范婷婷，李欢欢，李中波*（安徽农业大学轻纺工程与艺术学院，安徽合肥230036）摘要：目的研发出一种具有优异氧气阻隔性能的柔性薄膜，其在食品包装领域具有良好的应用前景。

方法以具有生物降解性能的聚乙烯醇（PVA）为成膜基材，镁铝层状双金属氢氧化物（MgAl-LDH）为改性剂，柠檬酸为交联剂，采用流延法制备出具有优异气体阻隔性能的PVA/MgAl-LDH复合薄膜。

结果随着柠檬酸的含量的增加，复合薄膜的亲水性能逐渐增加，阻隔性能逐渐下降；随着复合薄膜中MgAl-LDH的含量的增加，复合薄膜的疏水性能和阻隔性能逐渐提高。

当复合薄膜中MgAl-LDH的质量分数为1.5%时，薄膜的力学性能最好，抗拉强度为42 MPa，断裂伸长率为16.7%，此MgAl-LDH质量分数下薄膜的气体阻隔性能也最优异，气体透过量为16 mL/(m2·24 h·0.1 MPa)。

结论柠檬酸的引入增加了薄膜内部亲水基团的数量，提升了复合薄膜的亲水性能。

MgAl-LDH可以减少PVA薄膜内部自由体积，提升PVA薄膜的力学性能和阻隔性能。

关键词：聚乙烯醇；镁铝层状双金属氢氧化物；柠檬酸；复合薄膜；阻隔性能中图分类号：TS206.4 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)19-0104-08DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.19.014Preparation and Properties of PVA/MgAl-LDH Gas Barrier FilmsZHANG Zi-yi, LI Meng-ran, XUE Cheng, FAN Ting-ting, LI Huan-huan, LI Zhong-bo*(College of Light Textile Engineering and Art, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China)ABSTRACT: The work aims to develop a flexible film with excellent oxygen barrier performance and good application prospects in the field of food packaging. The PVA/MgAl-LDH composite film with excellent gas barrier performance was prepared by the casting method with biodegradable polyvinyl alcohol (PVA) as the film-forming substrate, mag-nesium-aluminum layered bimetallic hydroxide (MgAl-LDH) as the modifier, and citric acid as the cross-linking agent.The experimental results showed that with the increase of citric acid content, the hydrophilic property of the composite film gradually increased and the barrier performance decreased gradually. With the increase of MgAl-LDH content in the composite film, the hydrophobic property and barrier property of the composite film gradually increased. When the content of MgAl-LDH in the composite film was 1.5%, the mechanical properties of the film were the best, with a ten-sile strength of 42 MPa and an elongation at break of 16.7%. The gas barrier performance of the film with this MgAl-LDH content was also the best, with a gas permeability of 16 mL/(m2·24 h·0.1 MPa). In addition, the introduc-tion of citric acid increases the number of hydrophilic groups inside the film, and the hydrophilic properties of the composite film are enhanced. MgAl-LDH can reduce the free volume inside the PVA film and enhance the mechanical收稿日期：2023-04-27基金项目：安徽省教育厅自然科学重点项目（2022AH050875）；安徽省科技重大专项（202103a06020005）；安徽省大学生创新创业项目（S202120364214）第44卷第19期张子怡，等：层状双金属氢氧化物/聚乙烯醇气体阻隔薄膜材料制备及性能研究·105·and barrier properties of the PVA film.KEY WORDS: polyvinyl alcohol; magnesium-aluminum layered bimetallic hydroxide; citric acid; composite film; bar-rier performance阻隔性薄膜指对气体、有机化合物等低分子量的化学物质具有非常低的透过性的薄膜。

金属氢氧化物的碱性与溶解度

金属氢氧化物的碱性与溶解度金属氢氧化物是一类由金属离子和氢氧根离子组成的化合物，它们在水中溶解时会产生碱性溶液。

金属氢氧化物的碱性与溶解度是化学领域中一个重要的研究方向。

本文将从理论和实验两个方面探讨金属氢氧化物的碱性与溶解度。

一、金属氢氧化物的碱性金属氢氧化物的碱性是由其离子性质决定的。

一般来说，金属离子在水溶液中会与水分子发生反应，生成金属氢氧化物和氢氧根离子。

这个反应过程可以用化学方程式表示为：M+ + H2O → MOH + OH-其中，M+代表金属离子。

在这个反应中，金属离子失去一个正电荷，形成了金属氢氧化物，而水分子失去一个负电荷，形成了氢氧根离子。

氢氧根离子具有碱性，因此金属氢氧化物的溶液呈碱性。

金属氢氧化物的碱性大小与金属离子的电荷和原子半径有关。

一般来说，离子电荷越大，其吸引和结合氢氧根离子的能力越强，金属氢氧化物的碱性也就越强。

此外，金属离子的原子半径也会影响其与氢氧根离子的结合能力，原子半径越小，金属离子与氢氧根离子的结合能力越强，金属氢氧化物的碱性也就越强。

二、金属氢氧化物的溶解度金属氢氧化物的溶解度是指单位体积溶液中能溶解的金属氢氧化物的质量。

溶解度与溶剂的性质、温度和压力等因素有关。

一般来说，金属氢氧化物在水中的溶解度较高，因为水是一种极性溶剂，能够与金属离子和氢氧根离子形成氢键和离子键，促进金属氢氧化物的溶解。

金属氢氧化物的溶解度还与温度有关。

一般来说，温度升高，金属氢氧化物的溶解度会增大，因为温度升高会增加溶剂分子的运动速度和能量，促进溶质分子与溶剂分子的相互作用，有利于金属氢氧化物的溶解。

此外，金属氢氧化物的溶解度还受到压力的影响。

在常温下，压力对金属氢氧化物的溶解度影响较小，因为溶解过程中的体积变化不大。

但在高压下，金属氢氧化物的溶解度可能会有所增加。

结论金属氢氧化物的碱性与溶解度是由金属离子的电荷和原子半径决定的。

电荷越大、原子半径越小的金属离子，其金属氢氧化物的碱性越强。

ldhs的制备方法及在电化学储能中的应用进展

王童，段慧宇，陈昌云
（南京晓庄学院环境科学学院，江苏南京）２１１１７１
摘要：层状双金属氢氧化物（ＬＤＨｓ）由于其组成和形态之间的可调性使其在电化学能量储存和转化中受到越来越多的关注。本文主要综述了ＬＤＨｓ的合成方法，性质和一些常见的掺杂／复合的ＬＤＨｓ，以及其在电化学储能设备中（尤其在电化学超级电容器中）的应用。此外，还对ＬＤＨｓ在电化学储能设备中应用的研究现状进行了简单介绍。最后，对作为电化学储能设备电极材料的ＬＤＨｓ的未来发展趋势进行了总结和展望。关键词：ＬＤＨｓ；电化学储能设备；合成方法；研究现状中图分类号：Ｏ６４１８文献标志码：Ａ
：（）ＡｂｓｔｒａｃｔＬａｙｅｒｅｄｄｏｕｂｌｅｍｅｔａｌｈｙｄｒｏｘｉｄｅｓＬＤＨｓａｒｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｎｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅａｎｄｃｏｎｖｅｒ
ｓｉｏｎｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｅａｓｙｔｕｎａｂｉｌｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｓｙｎｔｈｅｓｉｓｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｐｒｏｐｅｒ
ｔｒｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｎｄｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ．
：；；；ＫｅｙｗｏｒｄｓＬＤＨｓｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｙｎｔｈｅｓｉｓｍｅｔｈｏｄｓｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓ
；收稿日期：２０１９０３２２修回日期：２０１９０６１３基金项目：江苏省２０１８年度第五期“３３３工程”人才项目资助；南京晓庄学院高层次培育项目（２０１８ＮＸＹ２２）资助联系人简介：陈昌云（１９７３），男，教授，主要从事无机与分析化学教学与科研。Ｅｍａｉｌ：１５１４４７０１８５＠ｑｑ．ｃｏｍ

NiCr-LDHs的制备及光催化性能研究..

化学工程学院新产品开发训练报告2014-12课题名称： CoCr-LDHs的制备及光催化性能研究课题类型：论文班级：应化 1102*名：**学号： **********指导教师：**评语：指导教师签名：（使用说明：设计/论文请选一使用，左侧装订）第一部分文献综述1.1 水滑石的定义及研究背景层状双金属氢氧化物（Layered Double Hydroxide,LDH）是水滑石（Hydrotalcite,HT）和类水滑石化合物（Hydrotalcite-Like Compounds,HTLCs）的统称，由这些化合物插层组装的一系列超分子材料称为水滑石类插层材料（LDHs）[1]。

水滑石材料属于阴离子型层状化合物。

层状化合物是指具有层状结构、层间离子具有可交换性的一类化合物，利用层状化合物主体在强极性分子作用下所具有的可插层性和层间离子的可交换性，将一些功能性客体物质引入层间空隙并将层板距离撑开从而形成层柱化合物。

水滑石类化合物(LDHs) 是一类具有层状结构的新型无机功能材料, LDHs的主体层板化学组成与其层板阳离子特性、层板电荷密度或者阴离子交换量、超分子插层结构等因素密切相关。

LDHs的发展已经历了一百多年的历史，但直到二十世纪六十年代才引起物理学家和化学家的极大兴趣。

1842年，Hochstetter首先在片岩矿层中发现了天然水滑石矿物。

[2]后来又相继在挪威的Sunarum地区以及俄罗斯的Ural地区发现了少量的天然水滑石矿。

在二十世纪初，人们发现了LDH对氢加成反应具有催化作用，并由此开始了对LDH结构的研究。

1942年，Feitknecht等首次通过金属盐溶液与碱金属氢氧化物反应人工合成出了LDH，并提出了双层结构模型的设想。

1966年，Kyowa公司首先将LDH的合成工业化。

1969年，Allmann等通过测定LDH单晶结构，首次确认了LDH的层状结构。

[3，4]七八十年代时，Miyata等对其结构进行了详细研究，并对其作为新型催化材料的应用进行了探索性的工作。

Mg-Al层状双金属氢氧化物的合成及表征

渊3冤相同铺层情况下袁随着帽顶尺寸的减小袁结构的局部屈曲载荷增加曰而压损载荷差别不大遥
水滑石袁由两种或两种以上金属元素组成的具有类水
滑石层状晶体结构的氢氧化物遥 LDHs 的化学组成通式
为 [ M2 + 1 - xM3 + x ( OH ) 2 ] x + ( An - ) x / n窑mH2O 袁其中袁 M2 + 和 M3 + 分别为二价和三价金属离子袁 An - 是带有 n 个负电荷的层
揖关键词铱 Mg - Al 层状双金属氢氧化物曰合成曰表征
中图分类号院 O614
文献标识码院 A
DOI 院 10 . 19694 / j . cnki . issn2095 - 2457 . 2018 . 19 . 031
文章编号院 2095 - 2457 渊2018冤19-0070-002
殊的优良性质袁在诸多领域展现出了广阔的应用前景遥 [1-3]
LDHs 的制备方法有很多种袁主要有共沉淀法尧水热/溶剂热
法尧溶胶-凝胶法尧离子交换法尧焙烧复原法等几种遥其中
共沉淀法是制备 LDHs 最常用简单袁易于控制袁分散性好袁结晶度高等优点遥本
任公司冤袁 DHJ - 9070A 型电热恒温干燥箱渊杭州汇尔仪
器设备有限公司冤袁 SC - 04 型低速离心机渊安徽中科中佳科学仪器有限公司冤遥
试剂院九水合硝酸铝渊 Al 渊 NO3 冤 3窑9H2O 袁 AR 袁上海阿拉丁生化科技股份有限公司冤袁六水合硝酸镁渊 Mg 渊 NO3 冤 2窑6H2O 袁 AR 袁上海阿拉丁生化科技股份有限公司冤袁氨水渊 AR 袁天津市风船化学试剂科技有限公司冤袁水为二次蒸馏水遥 1 . 2 Mg - Al - LDHs 的合成

纳米层状双金属氢氧化物的制备及光催化性能研究进展

纳米层状双金属氢氧化物的制备及光催化性能研究进展
霍智强;白雪;滕英跃;贾恒;宋银敏;王威
【期刊名称】《硅酸盐通报》
【年(卷),期】2022(41)4
【摘要】半导体光催化剂因其高效、生态友好、成本低等优点,可用于解决能源与环境问题。

层状双金属氢氧化物(LDHs)是一类由两种或两种以上金属阳离子组成的金属氢氧化物,结构由主体层板和层间的插层阴离子及水分子相互交叠构成。

LDHs纳米材料具有带隙可调、比表面积大、种类多样、成本低廉并且易与其他材料复合实现功能化等优点,因此LDHs纳米材料在光催化领域中表现出良好的应用前景。

本文系统综述了近年来LDHs纳米材料的制备方法及其在光催化分解水制氢、吸附和降解有机染料,以及光催化还原二氧化碳等光催化领域的最新研究进展,为未来高性能LDHs基纳米催化材料的制备及催化性能调控提供了一定的参考。

【总页数】14页(P1440-1453)
【作者】霍智强;白雪;滕英跃;贾恒;宋银敏;王威
【作者单位】内蒙古工业大学化工学院;内蒙古自治区低阶碳质资源高值化利用重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O643.36
【相关文献】
1.锂-氧电池用石墨烯/层状双金属氢氧化物纳米复合材料的制备及性能研究
2.TPN-十二烷基磺酸钠-层状双金属氢氧化物纳米杂化物的制备及防霉性能研究
3.BIT-层状双金属氢氧化物纳米杂化物的制备及防霉性能研究
4.秸秆基Li/Al层状双金属氢氧化物纳米复合吸附剂的制备及其除磷性能研究
5.花状锌铬层状双金属氢氧化物的制备及其光催化性能的研究
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氢氧化铁和氢氧化铜

氢氧化铁和氢氧化铜氢氧化铁和氢氧化铜是两种常见的金属氢氧化物，它们在工业生产和实验室研究中都具有重要的应用价值。

本文将分别介绍氢氧化铁和氢氧化铜的性质、用途以及相关知识。

让我们来了解一下氢氧化铁。

氢氧化铁，化学式为Fe(OH)3，是一种重要的铁氢氧化物。

它具有浅黄色至棕红色的颜色，在自然界中以矿石的形式存在。

氢氧化铁具有强碱性，可以与酸反应生成盐和水。

在工业上，氢氧化铁常用于制备其他铁化合物，也可作为催化剂和吸附剂使用。

而氢氧化铜，化学式为Cu(OH)2，是另一种常见的金属氢氧化物。

氢氧化铜呈现蓝色至绿色的颜色，也可在自然界中找到。

与氢氧化铁类似，氢氧化铜也具有强碱性，可与酸反应生成盐和水。

氢氧化铜在工业上广泛应用于染料、催化剂、防腐剂等领域。

氢氧化铁和氢氧化铜在化学性质上有所不同。

氢氧化铁在水中可形成胶体溶液，而氢氧化铜则不具有这种特性。

此外，氢氧化铁具有较弱的吸湿性，而氢氧化铜则较强。

在实验室研究中，氢氧化铁和氢氧化铜常用于制备其他化合物或进行反应的催化剂。

除了工业应用外，氢氧化铁和氢氧化铜在医学和环境领域也有重要作用。

例如，氢氧化铁可用于治疗贫血，而氢氧化铜则可用于净化水质。

它们的应用范围广泛，对人类生活和健康都具有积极的影响。

氢氧化铁和氢氧化铜是两种重要的金属氢氧化物，它们在工业生产、实验室研究以及医学环境中都发挥着重要作用。

通过深入了解它们的性质和用途，我们可以更好地利用这些金属氢氧化物，促进科学技术的发展，改善人类生活质量。

希望本文能帮助读者更好地了解氢氧化铁和氢氧化铜，以及它们的重要价值。

谢谢阅读！。

层状双金属氢氧化物形成机理的研究现状

层状双金属氢氧化物形成机理的研究现状氢氧化物是一种重要的无机化合物，具有广泛的应用价值。

在氢氧化物中，层状双金属氢氧化物是一类具有特殊结构和性质的化合物，其在催化、吸附、分离等方面具有广泛的应用前景。

因此，层状双金属氢氧化物的形成机理一直是研究的热点之一。

本文将从层状双金属氢氧化物的结构、形成机理以及研究现状三个方面进行探讨。

一、层状双金属氢氧化物的结构层状双金属氢氧化物是由两种或两种以上的金属离子和氢氧根离子组成的层状结构化合物。

在层状结构中，金属离子和氢氧根离子交替排列，形成具有一定厚度的层状结构。

层状双金属氢氧化物的结构可以用化学式M1-xM'x(OH)2·nH2O表示，其中M和M'分别代表两种不同的金属离子，x为离子交换度，n为结晶水分子数。

层状双金属氢氧化物的结构可以通过X射线衍射、红外光谱、热重分析等手段进行表征。

二、层状双金属氢氧化物的形成机理层状双金属氢氧化物的形成机理涉及到多个方面，包括金属离子的选择、pH值的控制、温度的调节等。

具体来说，层状双金属氢氧化物的形成可以分为两个步骤：金属离子的水解和金属离子的交换。

在第一步中，金属离子与水反应，生成氢氧根离子和金属氢氧化物。

在第二步中，金属离子与金属氢氧化物发生交换反应，生成层状双金属氢氧化物。

在这个过程中，pH值的控制和温度的调节都是非常重要的。

通常情况下，pH值在8-10之间，温度在50-80℃之间时，层状双金属氢氧化物的形成效果最好。

三、层状双金属氢氧化物形成机理的研究现状层状双金属氢氧化物的形成机理已经得到了广泛的研究。

研究表明，金属离子的选择、pH值的控制、温度的调节等因素都对层状双金属氢氧化物的形成有重要影响。

同时，还有一些新的方法被提出，如溶胶-凝胶法、水热法、微波辅助法等，这些方法在层状双金属氢氧化物的制备中也得到了广泛的应用。

此外，还有一些研究者通过对不同形态的金属离子、不同的pH值和温度等条件下的反应进行探究，对层状双金属氢氧化物的形成机理进行了更深入的研究。

层状双金属氢氧化物微观结构与性质的理论研究进展

层状双金属氢氧化物微观结构与性质的理论研究进展倪哲明1,*胥倩1潘国祥1,2毛江洪1(1浙江工业大学化学工程与材料学院,催化新材料研究室,杭州310032;2湖州师范学院化学系,浙江湖州313000)摘要：总结了近年来理论计算方法在研究层状双金属氢氧化物(LDHs)结构与功能方面的应用现状.结合LDHs 材料的结构特点,归纳了量子力学、分子力学、几何建模及物理静电模型相结合对LDHs 材料进行结构模拟的思路,比较了各种方法在LDHs 结构模拟上的优势及存在的不足.量子力学方法能够精确获得水滑石材料的层板构成及作用机制、简单阴离子插层水滑石主客体间的超分子作用实质以及电子性质、反应机理等方面的信息.与量子力学相比较,分子力学方法可以快速得到插层水滑石材料的层间阴离子排布及取向、水合膨胀特性及宏观力学性质等.几何模型和物理静电模型能构建直观、形象的数学模型,大大简化了计算量,因此能计算接近实际LDHs 尺寸的体系,为推测LDHs 结构信息提供了可能性.随着理论方法和计算机硬件水平的发展,使得计算机模拟技术逐渐成为获得LDHs 材料微观结构参数、电子性质和动力学性质的一种有效手段.关键词：层状双金属氢氧化物;结构与性质的关系;理论研究进展中图分类号：O641Theoretical Processing in Understanding the Structures and Properties of Layered Double HydroxidesNI Zhe -Ming 1,*XU Qian 1PAN Guo -Xiang 1,2MAO Jiang -Hong 1(1Laboratory of Advanced Catalytic Materials,College of Chemical Engineering and Materials Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,P.R.China ;2Department of Chemistry,Huzhou Teachers College,Huzhou 313000,ZhejiangProvince,P.R.China )Abstract ：We review the techniques,applications,characteristics,and insights gained from the use of theoretical calculations that were applied to the study of layer double hydroxides (LDHs)materials by using a series of typical case studies.The advantages and shortcomings of different theoretical calculation methods (quantum mechanics,molecular mechanics,geometric model,and electrostatic potential energy model)for the study of the properties of LDHs minerals are compared.Based on quantum mechanics calculations,we obtained information about template effects on the construction of layered double hydroxides,super molecular interactions in LDHs containing simple anions,electronic properties,and reaction pathways pared with quantum mechanics,molecular mechanics is quicker in obtaining information about the interlayer structure,arrangement,orientation,hydration,and the swelling trajectory as well as elastic constants etc of LDHs intercalated with various anions.The geometric model and electrostatic potential energy model offer a more intuitive and visual mathematical model of LDHs minerals.The calculations were done on the verge of full size LDHs,which may allow the prediction of the crystal structure.Along with the development of theoretical methods and computer techniques,computational simulation method has become an effective adjust to experimental techniques for obtaining the microscopic structures,electronic and dynamic properties of LDHs minerals.Key Words ：Layered double hydroxide;Structure -property relationship;Theoretical processing[Review]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin .,2009,25(4)：792-805Received:November 9,2008;Revised:January 16,2009;Published on Web:February 23,2009.*Corresponding author.Email:jchx@;Tel:+86571-88320373.浙江省自然科学基金(Y406069)资助项目鬁Editorial office of Acta Physico -Chimica SinicaApril792No.4倪哲明等：层状双金属氢氧化物微观结构与性质的理论研究进展层状双金属氢氧化物(layer double hydroxides,简称LDHs)是一类重要的新型无机功能材料,可作为制备无机-无机、无机-有机纳米复合材料的母体[1].因其具有特殊的层状结构及物理化学性质,在催化[2-5]、离子交换和吸附[6-8]、医药[9-13]等诸多领域具有广阔的应用前景.目前,粉末X射线衍射(XRD)、红外(IR)、热重差热分析(TG-DTA)、核磁共振(NMR)、X射线光电子能谱技术(XPS)、透射电镜(TEM)、中子衍射等实验手段已被应用于LDHs微观结构研究中,并取得了一些重要的结构数据[14-17].比如,LDHs微观结构研究中最为重要的XRD表征技术,能够得到合成材料是否具有层状构型,以及层间距、层板中金属离子的平均间距等重要结构参数[14].将插层阴离子的尺寸与层间距大小相关联,能推测阴离子在层间大致的排布情况(比如单层垂直、双层垂直交替、倾斜交替等)[14].IR、TG-DTA、NMR、中子衍射技术可作为辅助手段来佐证XRD推测所得LDHs微观结构的正确性[15-17].然而,对于复杂阴离子插层LDHs体系,其层间阴离子的排布形态确认仍存在困难,层间结构水分子的排布信息,从实验手段进行表征更是无法得知的.LDHs单晶合成非常有限(迄今为止只合成了2、3个LDHs单晶[1,18]),因而要从实验角度精确探求LDHs微观结构还存在相当大的困难.同时,要探求LDHs层板内部金属离子与羟基之间、主体层板与客体阴离子及水分子之间的超分子作用实质,从实验角度也是很难解决的.近年来,理论模拟计算作为获得LDHs材料微观结构信息和动力学性质的一种有效手段,为LDHs材料的分子设计提供了理论指导.本文总结了近年来理论计算方法在LDHs材料结构与功能方面的研究进展.结合LDHs 材料的结构特点,归纳了量子力学、分子力学、几何建模及物理静电模型相结合对LDHs材料进行结构模拟的思路,比较了各种方法在LDHs结构模拟上的优势及存在的不足.1层状LDHs材料微观结构与功能的关系LDHs是一类具有主体氢氧化物层板、客体阴离子柱撑的无机功能材料,其结构与水镁石结构类似[19,20].LDHs由水滑石(Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O)经层板金属阳离子与层间阴离子调变而形成,其结构如图1所示,组成通式为[M II1-x M III x(OH)2]x+(A n-)x/n·m H2O,其中M II和M III分别代表二价和三价金属离子;x 是摩尔比n(M3+)/(n(M2+)+n(M3+));A n-是层间阴离子;m为层间结构水分子数目.LDHs独特的层状构型和结构的可调变性决定了其功能的多样性和应用的广泛性,研究LDHs材料微观结构与功能间的关系,必须对材料的精细结构取得足够的了解.LDHs材料的功能特性按照其微观和亚微观结构(三级结构:主体氢氧化物的层板、层间客体阴离子、结构水分子)进行划分,大致可分为以下三个方面:(1)层板有序结构主要由金属离子与羟基通过配位键形成,主体层板金属离子具有同晶可取代性.LDHs层状材料经合适温度焙烧,能够形成具有高表面积、高分散性、酸碱性可调的复合氧化物.焙烧产物中某些过渡金属经还原,便可形成性能优良的纳米金属负载型催化剂.由于LDHs层板金属离子具有可调变性(如Mg2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+和Al3+、Fe3+、Cr3+等),所以LDHs的焙烧/还原衍生物在催化、吸附等领域得到广泛应用.(2)层间客体阴离子具有可组装性.LDHs具有客体阴离子可插层性,主体层板与层间客体阴离子间存在着静电和氢键等分子间作用力,很多功能性阴离子能通过这些分子间相互作用而被引入LDHs 层间,形成一类新型LDHs基复合材料.比如:(a)杂多、同多酸阴离子、金属配离子;(b)羧酸、磺酸类有机阴离子;(c)布洛芬、萘普生等医药分子及草甘膦等农药分子;(d)氨基酸、DNA、核苷酸、ATP、酶等生物分子.这些分子/离子与LDHs组装后,能应用于催化、PVC改性剂、药物缓释、无机/生物复合材料、紫外阻隔材料、油田化工品、环境修复等领域.(3)层间水合膨胀及剥离特性.实验证明层间水分子具有稳定LDHs结构的作用,层间水分子与层板及阴离子间主要以氢键作用相结合,并能在一定温度下可逆脱除/吸收,所以在湿度调节方面得图1LDHs材料的结构示意图Fig.1Scheme of microstructure for LDHs793Acta Phys.-Chim.Sin.,2009Vol.25到应用.其他有机中性分子通过克服主客体间超分子作用力被引入LDHs层间,能使LDHs材料层间距膨胀乃至剥离,形成纳米LDHs层片,应用于LDHs/高分子复合材料的合成中.根据Lehn对超分子化学的阐述[21],LDHs主体层板形成、层板中M2+(M3+)-OH-(H2O)作用机制、层板与层间阴离子及水分子间相互作用都可纳入超分子化学研究范畴.从超分子化学角度,使用实验表征与理论模拟计算方法研究LDHs层板内部金属离子与羟基之间、层板与客体阴离子及水分子之间的相互作用,可取得LDHs材料结构调变与其功能间的关系.LDHs超分子结构与功能的基础性研究工作的进展,将有助于LDHs功能的强化以及应用领域的拓展.2理论方法研究LDHs材料的结构与性质近年来,理论模拟计算作为有效的研究方法在LDHs材料的微观结构、力学、热学、电磁学等性能的研究中卓有成效.其中,计算机模拟研究根据模拟尺度、理论依据、研究性质的不同,可分为量子力学(quantum mechanics,QM)和分子力学方法(molecular mechanics,MM)两大类,它被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段,称之为“计算机实验”[22].2.1量子力学方法量子力学方法主要包括:从头算法(ab initio method)、分子轨道半经验计算法(semi-empirical molecular orbital method)和密度泛函理论(density functional theory,DFT)[22,23].它以分子中电子的非定域化(delocalization)为基础,电子的行为以其波函数表示.根据海森堡(Heisenberg)的测不准原理,量子力学仅能计算区间内电子出现的概率,其概率正比于波函数绝对值的平方.通过求解由核和电子组成的多电子体系的薛定谔方程,从而获得LDHs材料结构与功能方面的信息[22-24].它建立在原子核与核外电子作用基础上,计算精度高.量子力学方法适用于简单的分子或电子数量较少的体系,能够精确计算分子的性质、结构、构象、偶极矩、电离能、电子亲和力、电子密度等,以及了解分子间相互作用的电子性质.2.1.1从头算法从头算法利用变分原理(variation principle),将系统电子的波函数展开为原子轨道波函数的组合,而原子轨道的波函数又为一些特定的数学函数(如高斯函数)的组合[22,23].这种方法虽然精确,却甚为缓慢,所能计算的系统亦极为有限,通常不超过100个原子.目前,该方法主要应用于LDHs材料精确结构参数[25]、金属离子同晶取代对层板结构的影响[26]、酸碱性等物化性质的影响[26]、催化反应机理、催化剂活性[26]以及电子相关性质(态密度、能带结构)[26]方面的计算.Masini等[25]运用ab initio Car-Parrinello模拟了水镁石(brucite)表面的羟基化和脱羟基作用反应,在获得水镁石(0001),(1100)和(1000)晶面结构特性的同时,通过比较水镁石表面和内部的脱羟基反应所需的能量,指出水镁石分解生成MgO和H2O的反应首先在材料表面发生.Trave等[26]计算了含有不同层板阳离子和层间阴离子的LDHs体系的晶格参数、自由度等结构信息,探讨了层板Al3+的排列方式和Mg/Al摩尔比两个参数对Mg/Al-LDHs结构的影响,当R(M II/M III 摩尔比)约为3时,体系的结合能最低,而层间通道高度最大,建立了结构参数与化学组成和结合能之间的关系.另一方面,通过对态密度等电子性质的研究,发现层间阴离子的性质对化合物的电子性质有很大的影响.与LDHs-Cl体系相比,LDHs-OH体系最高占据轨道(HOMO)-最低空轨道(LUMO)间的禁带宽度较小,且层间的LUMO轨道主要由层间的阴离子提供(如图2),导致了LDHs-OH具有更强的接受电子的能力,所以LDHs-OH较LDHs-Cl在羟醛缩合碱催化反应中具有更高的碱催化活性.李蕾等[27]在制备表征磺基水杨酸、4-羟基-3-甲氧基肉桂酸和2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸等紫外吸收剂插层锌铝水滑石的基础上,运用(a)(b)图2(a)LDHs-Cl和(b)LDHs-OH的HOMO和LUMO轨道分布图[26]Fig.2Spatial distributions of the HOMO and LUMO for(a)LDHs-Cl and(b)LDHs-OH [26]794No.4倪哲明等：层状双金属氢氧化物微观结构与性质的理论研究进展Gaussian98[28]软件中的ab initio分子轨道法(HF/6-31G)计算了LDHs层间有机紫外吸收剂的分子结构和电荷分布,提出了合理的客体阴离子在主体层间的排列方式,并分析了其结构与光化学行为的关系.结果表明,层板间的限域空间有利于主客体间的静电和氢键相互作用,插层产物的紫外吸收范围和能力显著增强,是一类具有潜在应用价值的无机-有机超分子复合结构的紫外吸收材料.2.1.2分子轨道半经验方法分子轨道半经验方法在从头算法的基础上,多引用了一些实验值为参数,求解Hartree-Fock-Roothaan 方程,以取代计算真正的积分项[22,23].采用此方法计算LDHs材料时,相关的结构参数如键长、键角等,往往不是通过几何优化获得,而是来源于实验文献.目前常用的分子轨道半经验方法有休克尔方法(EHMO),全略微分重叠(CNDO),间略微分重叠(INDO),改进的间略微分重叠(MINDO),忽略双原子微分重叠(MNDO),以及在忽略双原子微分重叠(MNDO)基础上发展起来的AM1方法和PM3方法等[22,23].与从头算法相比,利用半经验分子轨道方法可计算较大的分子,但需以大量的实验数据为基础.Pu等[29,30]采用MNDO/d、PM3法优化了不同尺寸水滑石层板结构,优化所得的晶体团簇模型呈六边形结构,且层板的Mg/Al摩尔比为可变参数,但当层板直径变得比较大时,Mg/Al摩尔比的极限值为3.在插层反应过程中,层板的边缘较容易吸附阳离子,而层板中心则易接受阴离子.在此基础上,他们采用B3PW91方法在Lanl2dz基组水平上进一步研究了Mg/Al摩尔比为3的水滑石层板结构[31],通过将结构参数和模拟得到的XRD图谱分别与实验观测结果相比较,确定了水滑石层板符合空间群R3m(166),沿第三维方向有序堆积.李蕾等[32]采用以含原子对排斥的EHMO法ASED(atom superposition and electron delocalization) -MO法为基础的结构自动优化EHTOPT程序,优化计算了Mg6Al2(OH)16X·H2O主体层板与不同简单客体阴离子稳定结构的能量变化、成键状况及电荷转移情况,揭示了LDHs层板与层间阴离子间存在静电吸引、氢键等非共价键弱相互作用.其中氢键作用为主,且强弱与阴离子电荷分布、空间排布方式密切相关,层间阴离子电荷分布对层板酸碱性变化也有影响.2.1.3密度泛函理论密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法,即为非常精确的量子计算方法.在Kohn-Sham DFT的框架中,最难处理的多体问题(由于处在一个外部静电势中的电子相互作用而产生的)被简化成了一个没有相互作用的电子在有效势场中运动的问题[23].密度泛函理论是目前多种领域中电子结构计算的领先方法,但是用它来恰当地描述分子间相互作用,特别是范德华力(van der Waals),或者计算半导体的能隙还存在一定的困难.目前该方法主要被应用于研究LDHs材料层板金属离子同晶取代对层板结构的影响[31]、层板内部金属离子与羟基之间配位作用[33]、简单阴离子插层LDHs材料的微观结构性质和主客体间超分子作用实质[34-36]、成键规律、热稳定性、酸碱性等物化性质、离子交换性能、催化性能[32-37]、反应机理[38,39]等相关领域的研究.Wei等[33]采用混合密度泛函B3LYP方法对构建LDHs时产生的模板效应进行了研究.根据计算所得的结构畸变角θ的不同,可将层板金属离子分为三类(如图3):类型I(canonical structure,θ:0°-1°),类型II(slightly distorted structure,θ:1°-10°)和类型III(heavily distorted structure,θ>10°).计算了与LDHs 结构相关的键长、O—M—O键弯曲角、键能、价电图3[M(H2O)6]n+的三种几何优化结构[33]Fig.3Three types of optimized structures of the[M(H2O)6]n +[33]795Acta Phys.-Chim.Sin.,2009Vol.25子构型、配位场以及Jahn-Teller效应和自然键轨道(NBO).指出同晶取代Mg2+进入LDHs层板的金属阳离子,其与氧原子形成的八面体六配位的畸变角较离子半径对LDHs的层板结构有着更大的影响,且影响程度为类型I>类型II>类型III.倪哲明等[34,35]建立了LDHs与卤素阴离子(F-、Cl-)的单层簇模型,运用Gaussian03[40]程序,采用混合密度泛函B3LYP方法,在6-31G(d)基组水平上进行结构优化和频率分析,然后分别用6-31G(d)和6-311++G(d,p)计算主客体相互作用能,分析了LDHs 主体层板与卤素阴离子的超分子作用(静电作用和氢键作用),并对F-、Cl-超分子作用的强弱进行了比较.然后又建立了LDHs与CO2-3、H2O的双层簇模型,采用B3LYP/6-31G(d)//B3LYP/3-21G方法计算类水滑石(LDHs-CO3-n H2O)的结构与能量,探讨了主客体间的超分子作用,并对LDHs层间存在的三种不同类型氢键的强度进行了比较.在此基础上,还构建LDHs-Cl-n H2O周期性模型(如图4),采用了CASTEP[41]优化计算其微观结构,从结构参数、Mulliken电荷布居、态密度(DOS)、能量等角度研究层间Cl-和不同数目水分子的分布形态以及与LDHs层间的超分子作用[36].随着水分子数的增加,层间距逐渐增大后趋于平衡.水合过程中氢键作用比静电作用更占优势,layer-water型氢键要略强于anion-water型氢键.当n=1、2时,Cl-与水分子所在平面以平行层板的方式存在于LDHs层间,并且与两层板的距离基本相等;当n=3、4时,Cl-与水分子则以偏向某一层的方式随机地存在于LDHs 层板间,并且得出LDHs-Cl的水合具有饱和量.Anderson等[37]在实验合成sulfonato-salen-M III (M=Mn,Fe,Co)配合物插层Zn/Al-LDHs的基础上,在分子氧和常温、常压条件下,测试其对生成环己烯和二聚环戊二烯的环氧化反应的催化性能.采用混合密度泛函B3LYP方法,计算了sulfonato-salen-M III (M=Mn,Fe,Co)的结构参数(如图5),发现不同插层产物的层间通道高度和催化行为是有区别的,中心金属离子的性质较大地修饰了催化活性位附近的化学环境,从而导致了不同配合物的催化活性不同,催化性能大小为LDH-[Fe(Cl)(salen)]<LDH-[Co(Cl) (salen)]<LDH-[Mn(Cl)(salen)].Greenwell等[38]采用平面波密度泛函理论(PW-DFT)研究了镁铝水滑石催化叔丁醇酯交换反应的机理.通过计算反应机理中涉及的过渡态,指出Choudary等提出的机理(如图6(a))中催化剂再生的步骤无法实现.通过一系列计算模拟,提出层间水的图4LDHs-Cl-n H2O(n=1-4)主客体作用模型[36]Fig.4Host-guest interaction models of LDHs-Cl-n H2O(n=1-4)[36]图5Sulfonato-salen-M III配合物的几何结构[37]Fig.5Computed structures of sulfonato-salen-M III [37] 796No.4倪哲明等：层状双金属氢氧化物微观结构与性质的理论研究进展存在是催化剂再生的必要条件(如图6(b)),叔丁基阳离子在层间不可能单独存在,活性部分叔丁醇的羟基—OH与LDHs层板间存在着比较强的相互作用.LDHs层板的亲水性与t-Bu-LDH的层间区域的疏水性,导致有机物分子的极化基团排列于LDHs 表面,增强了材料的催化活性,促进整个催化反应的进行.Wei等[39]采用混合密度泛函B3PW91方法在6-31G(d,p)基组水平上,对手性药物左旋多巴(L-dopa)插层前后的外消旋现象进行了研究.对反应中涉及的过渡态的模拟结果表明,插层前左旋多巴单体手性碳上的H会迁移至羧基,构成烯醇式的活性中间体,从而外消旋化.插层后,左旋多巴的羧基会和LDHs层板发生强的主客体相互作用(相互作用能为-1100kJ·mol-1),而无法成为质子接受体,外消旋化得到了抑制.从而证明了LDHs材料是一种很好的用来贮存和运载手性药物的载体.2.2分子力学方法分子力学方法起源于1970年左右,是依据经典力学(classical mechanics)的计算方法.此种方法主要依据Born-Oppenheimer近似原理,计算中将电子的运动忽略,而将系统的能量视为原子核位置的函数[23,24].以原子间相互作用势为基础,主要依据分子的力场计算分子的各种特性.该方法主要包括:能量最小化(energy minimization)、蒙持卡罗计算法(Monte Carlo method,MC)和分子动力学模拟(molecular dynamics simulation,MD).分子力场中的关于LDHs材料的结构参数通常可经由量子力学计算或实验方法得到.与量子力学相比较,此方法可以快速地得到分子的各种性质,但无法得到有关体系电子性质方面的结果.分子力学方法常被用于药物、团簇体、生化大分子的研究、复杂的有机阴离子(药物、氨基酸、DNA)插层LDHs复合材料超分子结构的优化计算.2.2.1能量最小化法能量最小化方法是将最初的结构进行模型修饰(model refinement)的过程,藉由分子力学的能量最小化来修正不利的非共价碰触及达到理想的键结合和能量最低的构型.分子力学方法主要计算包括键长、键角、二面角、静电作用力和范德华作用力等位能参数,它的能量计算公式:E total=E stretching+E bending+E dihedral+E out-of-plane+E cross terms+E van der Waals+E coulombic在分子力学方法中常用于能量最小化的力场有CHARMM[42],AMBER[43],CVFF[44],CFF91[45]或GROMOS[46]等.Fogg等[47]采用GULP程序(general utility lattice program)计算了Li/Al-LDHs-Cl、Li/Al-LDHs-Br和Li/ Al-LDHs-NO3体系的最优结构.模拟结果表明,能量最低时所得的结构与实验表征的结果相一致,能够较好地解释NO-3在Li/Al-LDHs-NO3层板间的无规律排列现象.这种计算方法同时也被认为是研究Li/ Al-LDHs-CO3、Li/Al-LDHs-SO4和Li/Al-LDHs-C2O4等体系层间间距和层间客体排布取向的有效手段. 2.2.2蒙特卡罗计算法蒙特卡罗计算法借由系统中质点(原子或分子)的随机运动,结合统计力学的概率分配原理,以得到体系的统计及热力学资料.此方法多用以研究复杂体系及金属的结构及其相变性质.蒙特卡罗计算法的弱点在于只能计算统计的平均值,不能追踪势能变化的路径,无法得到系统的动态信息[24].此计算所依据的随机运动并不适合物理学的运动原理,与其他的非量子计算方法相较亦非特别经济快速.因此,自分子动力学计算逐渐盛行后,蒙特卡罗计算方(a)Choudary et al.′s proposed mechanism(b)Greenwell et al.′s proposed mechanism图6两种可能的酯交换反应机理[38]Fig.6Two possible reaction mechanism for the transesterification reaction [38]797Acta Phys.-Chim.Sin.,2009Vol.25法已较少为人所采用.Kirkpatrick等[48]采用NMR与Monte Carlo模拟相结合的方法,观察模拟了SO2-3、SeO2-4、PO2-4、HPO3-4、MoO2-4、ClO-4、SeO2-3、CO2-3、F-、Cl-、Br-、I-、OH-和NO-3阴离子进入Li/Al和Mg/Al-LDHs后与层间水相互影响可能发生的三种膨胀情况,并分析了相对湿度(RH)对该体系膨胀行为的影响.类型I,明显膨胀行为,膨胀尺度为0.15-0.30nm,通过XRD和NMR 测定发现,层间水从单层排列转变为双层排列,与吸附水等温曲线相一致.类型II,轻微膨胀行为,膨胀尺度<0.05nm,伴随着大量的层间水交换行为;层间水在层间只呈单层排列,且随着RH的增加,层间阴离子会经历一个动力学无序化阶段.类型III,基本不产生膨胀行为,膨胀尺度为0-0.02nm,只有微量的层间水交换行为;由于层间客体的紧密排列,只有极少量的水分子被吸收进入层间.此外,由于阴离子的体积较小,使其和层板羟基之间存在着强烈的静电作用和氢键作用,导致RH对环境结构和阴离子的动态特征几乎没有影响.2.2.3分子动力学模拟分子动力学模拟是应用力场及根据牛顿运动力学原理所发展的计算方法[23],在物理学、化学、生物学和材料科学等许多领域中得到广泛地应用.与蒙特卡罗计算方法比较,分子动力学模拟时系统中粒子的运动有正确的物理依据.优点是精准性高,可同时获得系统的动态与热力学统计资料,并可广泛地适用于各种系统及各类特性的探讨.分子动力学模拟方法本身亦有一定的限制,由于此计算需要引用数理积分方法,因此仅能研究系统短时间范围内的运动,而无法模拟一些时间较长的运动问题[24].MD方法主要用于软性层状粘土材料的模拟,在可变层间空间条件下,计算LDHs层间客体(简单阴离子、有机大分子、生物分子)的排布方式及取向[49-55]、层间阴离子与主体层板的成键情况、吸附、水合膨胀特性模拟[50-59]以及氢键结构分析[57-60],预测化学反应的活性及产物分析[55],LDHs材料XRD图谱模拟计算[61,62],药物分子在层板间的存在形式、结合情况[63-65]、热效应[62]等方面的计算模拟研究.Ma等[50]对包含水分子和不同客体阴离子(CO2-3、SO2-4、OH-、F-、Cl-、Br-、NO-3)的α-Ni(OH)2(1)、β-Ni(OH)2 (2)和Ni/Al-LDHs(3)三个体系的结构进行了分子动力学模拟,发现对于α-Ni(OH)2和Ni/Al-LDHs体系,当层间阴离子为F-、Cl-、Br-、OH-、NO-3、CO2-3时,层间水分子的堆积模式为紧密堆积(如图7(a));当层间阴离子为SO2-4时,层间水分子的排列方式相对松散(如图7(b));且对于Ni/Al-LDHs-SO2-4体系,由于层间含水量较高,水分子在层间为双层排布(如图7(c)).同时,对β-Ni(OH)2体系水合能以及无水β-Ni(OH)2的相对结合能进行了有关计算,为不同阴离子在离子交换反应的相对亲和力提供了理论依据,并指出库仑引力是影响势能的主要因素,层间阴离子的净电荷和范德华半径以及层间水的含量都对结合能有显著的影响,尤其当层间为有机阴离子时,效果更为显著.Lombardo等[62]首次以实验XRD和MD相结合的方法应用于获取热处理过程中低晶状[Zn0.65Al0.35 (OH)2]Cl0.35·0.35H2O(I)和[Zn0.65Al0.35(OH)2](CO3)0.175·0.69H2O(II)的结构、动力学等性质.他们工作的亮点是MD模拟所得到的XRD谱图是通过计算一系列晶胞参数不同的结构模型拟合得到的,而不是传图7层间水分子的堆积方式[50]Fig.7Schematic to show possible packing styles of interlayer water molecules [50] 798。

钴锰层状双金属氢氧化物的制备及其电化学性能研究

钴锰层状双金属氢氧化物的制备及其电化学性能研究超级电容器因储能丰富、绿色环保、充放电速度快、循环寿命长、功率密度大而受到了极大的关注。

决定超级电容器性能的关键因素为电极材料。

在众多电极材料中,层状双金属氢氧化物(LDH)具有独特的层状结构,因此在催化剂、吸附剂、分子筛、超级电容器等众多领域都有很好的应用。

本文对其作为电极材料进行研究,首先选取钴、锰两种过渡金属元素,采用共沉淀法制备钴锰层状双金属氢氧化物(CoMn-LDH)。

然后,利用撞击流-旋转填料床(IS-RPB)对CoMn-LDH制备过程进行强化。

最后,引入聚吡咯(PPy)对CoMn-LDH性能进行改进。

主要研究内容如下:(1)共沉淀法制备CoMn-LDH基础研究。

在磁力搅拌条件下,将硫酸锰和硫酸钴的混合溶液与氢氧化钠反应进行CoMn-LDH制备。

主要研究了钴锰摩尔比,氢氧化钠浓度,晶化时间等操作参数对样品形貌、结构以及电化学性能的影响规律。

采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和比表面积分析仪(BET)等测试手段对材料的物性进行表征,采用电化学工作站和蓝电电池测试系统等测试手段进行电化学性能测试。

结果表明:CoMn-LDH制备过程的适宜操作条件为钴锰摩尔比为2:1,氢氧化钠浓度为2 mol/L,晶化时间为21 h。

在该条件下制得CoMn-LDH的粒子大小为388.9 nm,比表面积为59.5 m~2/g,比容量为952 F/g,经过1000次恒流充放电测试以后,比容量保持率为92.7%。

(2)超重力强化CoMn-LDH制备过程及其电化学性能研究。

通过IS-RPB对反应过程的混合进行强化。

首先通过高速摄像机对CoMn-LDH的成核时间进行粗测,结果表明:CoMn-LDH的成核时间小于4 ms,属于快速成核反应,可应用超重力技术强化其制备过程。

然后对IS-RPB填料转速与液体流量等操作参数进行优化。

过渡金属氢氧化物_光催化_概述说明以及解释

过渡金属氢氧化物光催化概述说明以及解释1. 引言1.1 概述过渡金属氢氧化物是一类具有重要应用潜力的功能性材料。

它们由过渡金属元素与氢和氧原子相结合形成，具有特殊的物理和化学性质。

通过光催化反应，这些材料可以吸收光能并将其转化为化学能，实现一系列重要的环境保护和能源转换过程。

因此，深入研究过渡金属氢氧化物的光催化性能以及相关机制具有重要意义。

1.2 文章结构本文共分为五个部分进行讨论。

首先，在引言部分我们将对过渡金属氢氧化物进行概述，并介绍其定义、性质以及合成方法；接着，在第三部分我们将详细探讨光催化反应原理，包括基本概念、光吸收与光电子转移过程以及光催化机制解释；在第四部分中，我们将着重研究过渡金属氢氧化物的光催化性能并讨论影响其活性的因素以及功能材料改进策略；最后，在结论与展望部分，将总结研究现状、展望其发展前景，并提出对未来研究方向的建议。

1.3 目的本文旨在全面概述过渡金属氢氧化物光催化领域的研究进展，并深入解释其光催化反应原理和机制。

通过对实验方法与条件的讨论，我们旨在揭示影响过渡金属氢氧化物光催化活性的因素，并探讨如何改进功能材料以提高其性能。

最后，我们将对当前研究现状进行总结，展望过渡金属氢氧化物光催化的发展前景，并提出未来研究的方向和建议。

2. 过渡金属氢氧化物:2.1 定义和性质:过渡金属氢氧化物是一类由过渡金属元素和氢氧根离子(OH-)组成的化合物。

它们具有可溶于水的性质，并且在溶液中呈碱性。

常见的过渡金属包括铁、钴、镍和铜等。

2.2 合成方法:过渡金属氢氧化物可以通过多种方法进行合成。

其中常见的方法包括沉淀法、水热法和溶胶-凝胶法等。

沉淀法是将适当的过渡金属盐加入碱性溶液中，使得过渡金属离子与氢氧根离子结合形成沉淀；水热法则是在高压高温条件下进行反应，利用水热合成出目标产物；而溶胶-凝胶法则是通过溶胶构筑凝胶体系，进而得到过渡金属氢氧化物。

2.3 应用领域:过渡金属氢氧化物在光催化领域具有广泛的应用前景。

层状双金属氢氧化物形成机理的研究现状

层状双金属氢氧化物形成机理的研究现状氢氧化物是一类重要的无机化合物，广泛应用于催化、电化学、环境污染治理等领域。

而双金属氢氧化物则是一种具有特殊结构和性质的氢氧化物，其研究不仅有助于理解氢氧化物的性质和反应机理，还有望为开发新型催化剂、电化学材料等提供新思路。

本文将综述层状双金属氢氧化物的形成机理及其研究现状。

一、层状双金属氢氧化物的定义和特点层状双金属氢氧化物是指由两种或多种金属离子以一定的比例组成的氢氧化物，具有类似石墨烯的层状结构，其中金属离子以八面体或六面体的配位方式与氢氧化根离子配位，形成交错的层状结构。

层状双金属氢氧化物具有较大的比表面积、优异的催化性能、良好的分散性和可控性，因此在催化、电化学、吸附等领域有广泛的应用前景。

二、层状双金属氢氧化物的形成机理层状双金属氢氧化物的形成机理涉及到多个方面的因素，包括金属离子的选择、溶液pH值、温度、还原剂、表面活性剂等因素。

以下将对几个重要的因素进行讨论。

1、金属离子的选择金属离子的选择是影响层状双金属氢氧化物形成的重要因素之一。

通常选择具有不同电子亲和力和电荷密度的金属离子，以增加氢氧化物层之间的相互作用力，从而有利于层状结构的形成。

例如，Fe、Co、Ni、Cu等金属离子可以与Al、Mg、Zn等金属离子形成双金属氢氧化物，其形成机理与金属离子的电子结构和化学反应有关。

2、溶液pH值溶液pH值对双金属氢氧化物的形成具有重要的影响。

通常情况下，当溶液pH值在7-10之间时，金属离子可以与氢氧化根离子形成氢氧化物沉淀，而在pH值较高或较低的条件下，金属离子会形成其他化合物，难以形成双金属氢氧化物。

因此，调节溶液pH值是制备层状双金属氢氧化物的重要手段之一。

3、还原剂还原剂的加入可以促进层状双金属氢氧化物的形成。

常用的还原剂有NaBH4、Na2S、NH2OH等，它们可以还原金属离子形成金属纳米颗粒，从而有利于氢氧化物层的形成。

同时，还原剂的种类和用量也会影响双金属氢氧化物的形成和性质。

层状双金属氢氧化物的主要制备方法

层状双金属氢氧化物的主要制备方法层状双金属氢氧化物是一种具有特殊结构和复杂性质的新型材料，其中包含有两种金属元素，它的制备方法可以有多种，下面将分步骤阐述各种方法的具体操作过程。

第一种方法是化学共沉淀法。

该法主要是利用金属离子的沉淀性质，将两种金属离子混合后进行共沉淀，再通过煅烧形成层状双金属氢氧化物。

具体方法如下：1、按一定比例混合两种金属盐溶液，将其加入搅拌的水溶液中。

2、加入氨水等碱性溶液并搅拌，将沉淀转移到常温下静置。

3、用去离子水不断清洗混合物并过滤，取得混合物的白色沉淀，即层状双金属氢氧化物。

4、将沉淀状物料干燥，再进行高温处理，使其成为稳定的层状双金属氢氧化物。

第二种方法是水热法。

该法是其中比较简单实用的一种制备方法，具体方法如下：1、按一定比例混合两种金属盐溶液，并将其加入搅拌的去离子水中。

2、将混合物煮沸并搅拌一段时间。

3、将混合物移至高压容器中，进行水热反应。

反应过程中金属离子将沉淀并形成层状双金属氢氧化物。

4、取出沉淀状物料并干燥处理，使其成为稳定的层状双金属氢氧化物。

第三种方法是物理还原法。

该法基于金属元素本身的还原性，通过物理方式降低金属盐的还原性，实现双金属的制备过程。

具体方法如下：1、按一定比例混合两种金属盐溶液，并将混合物均匀地滴入纯水中，然后在搅拌的同时，将还原剂缓慢地加入反应终点。

2、将得到的沉淀状物料用去离子水清洗并过滤，然后用乙醇浸泡，使其成为稳定的层状双金属氢氧化物。

以上三种方法制备层状双金属氢氧化物各有不同的特点，可以根据实际需要和条件选择适合的制备方法来制备所需的材料。

层状双金属氢氧化物的制备方法也在不断地改进和创新，从而更好地满足人们对具有特殊性质材料的需求。

层状双金属氢氧化物结构

层状双金属氢氧化物结构层状双金属氢氧化物结构是一种特殊的化学结构，具有独特的物理和化学性质。

它是由两种不同的金属氢氧化物层交错堆叠而成的，具有层状结构，其中每层都是由一种金属离子和水分子以及氢氧根离子组成的。

这种结构可以用来催化水分解制氢，拥有潜在的应用前景。

首先，层状双金属氢氧化物结构的制备方法相对比较简单，并且可以通过不同的合成路线进行控制。

一般来说，它可以通过化学还原法、水热法和共沉淀法等方法进行合成和制备。

这些合成方法中，共沉淀法是最成熟的方法之一，它可以得到较高纯度的层状双金属氢氧化物结构。

其次，层状双金属氢氧化物结构的物理和化学性质也是研究的重点之一。

从物理方面来看，它的层状结构使得结构中存在着较多的孔隙和毛细孔道，具有较大的表面积和较好的可透性。

这些有利于它在催化反应中发挥作用。

从化学方面来看，金属氢氧化物层之间存在着适当的空间和电荷极性差异，它们可以提供一定的催化活性位点和物质吸附能力，并且还可以进一步调控某些特定催化反应的反应路径和反应速率。

最后，层状双金属氢氧化物结构的应用前景非常广泛。

它可以用于催化水分解，这是一种最为常见的利用可再生能源制取氢气的方法。

在催化剂中加入一定量的层状双金属氢氧化物结构，可以增加反应效率和反应速率，从而提高水解产氢的效率。

除此之外，还可以将其应用于催化剂载体、药物递送、吸附材料等领域。

综上所述，层状双金属氢氧化物结构是一种非常有趣和有用的化学结构。

人们对它的研究和应用已经日渐深入，未来还有很大的发展和潜力。

化学实验报告9篇

化学实验报告9篇化学实验报告 1一、铜、银、锌、镉、汞氢氧化物或氧化物的生成和性质1、铜、锌、镉操作：0.5mL 0.2 mol·L-1MSO4→2 mol·L-1NaOH→↓→2 mol·L-1H2SO4; ↓→2 mol·L-1 NaOH指导：离子Cu2+实验现象 H2SO4NaOH溶解释及原理 Cu2+ +OH-=Cu(OH)2↓ Cu(OH)2+2H+=Cu2++2H2O Cu(OH)2++OH-=[Cu(OH)4]2-Zn2+ +OH-=Zn(OH)2↓方程式同上溶溶浅蓝↓溶 Zn2+Cd2+结论白↓白↓溶不溶 Cd2+ +OH-=Cd(OH)2↓ Zn(OH)2、Cu(OH)2具有两性，以碱性为主，能溶于浓的强碱中生成四羟基合M(Ⅱ)酸根配离子。

Cd(OH)2碱性比Zn(OH)2强，仅能缓慢溶于热浓强碱。

2、银、汞氧化物的生成和性质操作：:0.5 mL 0.1 mol·L-1 AgNO3 →2 mol·L-1NaOH→→↓+ 2 mol·L-1HNO3(2 mol·L-1 NH3·H2O):0.5 mL 0.2 mol·L-1 Hg(NO3)2 → 2 mol·L-1NaOH→→↓+ 2 mol·L-1HNO3(40% NaOH) 指导：离子实验现象解释及原理Ag+Ag2O褐↓HNO3溶溶无色氨水溶 NaOH 不溶Ag2O+ 4NH3 + H2O =2Ag(NH3)2+ +2OHHgO + 2H+=Hg2+ +H2O-Hg2+HgO 黄↓结论AgOH、Hg(OH)2沉淀极不稳定，脱水生成成碱性的Ag2O、HgO。

二、锌、镉、汞硫化物的生成和性质;操作：:0.5 mL 0.2 mol·L-1 ZnSO4、CdSO4、Hg(NO3)2→1 mol·L-1Na2S→(浓HCl、王水)。

层状双金属氢氧化物的制备及其应用

层状双金属氢氧化物的制备及其应用层状双金属氢氧化物，简称LDHs，是一种具有多层结构和正电性的金属氢氧化物。

LDHs的制备方法非常简单，通常使用双金属离子和碱性氢氧化物混合反应，经过水热处理后就可以制备得到。

LDHs具有很强的吸附性能和催化性能，在环境保护、医药和化学工业等领域都有广泛的应用。

一、LDHs的制备方法LDHs的制备方法主要包括共沉淀法、水热法、溶胶凝胶法等。

其中，水热法是最常用的方法，因为这种方法可以得到高比表面积的LDHs，并且可以根据不同的要求调整LDHs的结构和性能。

水热法的具体操作方法是：首先将含有双金属离子的溶液与碱性氢氧化物混合，然后加入一定量的表面活性剂，混合均匀后，用高压釜进行水热处理。

经过水热处理后，LDHs会自组装形成多层结构，并且表面活性剂会在LDHs的表面形成特殊的结构，增加LDHs的比表面积和吸附性能。

二、LDHs的应用1.环境保护领域LDHs具有较强的吸附性能，可以吸附各种有害物质，如重金属离子、有机物等。

因此，在环境污染治理、水处理和废物处理等领域，LDHs可以发挥极大的作用。

例如，LDHs可以用于处理含有重金属的废水，吸附其离子使其减少到安全的水平。

此外，LDHs还可以用于处理含有有机污染物的废水，对于苯、甲苯、二甲苯等化学品具有很强的吸附能力。

2.医药领域LDHs可以作为一种廉价、低毒、高活性的药物载体，用于传递和释放药物。

传统的药物载体大多数是聚合物或脂质体，但这些载体在药物传递和释放过程中存在一些问题，如低药物包载量、不稳定性等。

相比较而言，LDHs载体更加稳定、可控，并具有更好的生物相容性。

例如，一种包含化疗药物的LDHs含有较低的细胞毒性，可以在体内缓慢地释放药物并降低副作用。

3.化学工业领域LDHs具有优良的催化性能，可以用于各种催化反应，如氧化反应、还原反应、加氢反应等。

因此，LDHs在化学合成、有机合成、化学分析等领域中有广泛的应用。