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制备与应用的研究进展
层状双金属氢氧化物制备与应用的研究进展作者：王永辉殷文俊来源：《赤峰学院学报·自然科学版》 2014年第23期王永辉1,2，殷文俊1（1．滁州城市职业学院，安徽凤阳 233100；2.浙江师范大学，浙江金华 321004）摘要：LDHs是一类具有双金属氢氧化物层结构的新型无机功能材料，由于其具有酸碱性、层间阴离子可交换性等特性，在很多领域中得到广泛的应用.本文介绍了LDHs的成分与结构，综述了阴离子型层柱双金属的制备方法及其在催化材料、阻燃材料、防紫外线材料、医药材料等方面的研究进展.关键词：层状双金属氢氧化物；类水滑石；制备；应用中图分类号：O611.64 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2014）12-0008-03层状双金属氢氧化物（简称LDHs）主要是指层状镁铝双金属氢氧化物，俗称水滑石.最早于1842年由瑞典的Crica发现[1]，其骨架是阳离子，层间是阴离子，佛罗伦萨大学的E.Manasse提出水滑石及其它同类型矿物质的化学式，1942年，Feitknecht等通过金属盐溶液与碱金属氢氧化物反应合成了LDHs，提出了双层结构的设想[2].直到1969年，Allmann等通过单晶X射线衍射试验测试并确定了LDHs层状结构.随着人们对此类化合物研究的深入，科学家发现LDHs具有特殊的层状结构、层间距的可调性，层板内阴离子数量与种类的多样性及与其他材料的生物相容性等特性，广泛地应用于催化、药物缓释和运输、离子交换、选择性吸附等领域[3]，同时近年来交叉学科领域的相互渗透，其在磁光材料、功能高分子材料、光电材料等方面又有了新的研究与进展.1 LDHs的成分与结构特点1.1 LDHs的分子结构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Mg(OH)2结构类似，由[MgO6]八面体组成菱形单元层，层板上的正电荷与层间阴离子CO32-平衡，使这一结构呈电中性，同时CO32-可以被其它离子如SO42-、Cl-、NO3-取代，取代后的化合物仍为稳定结构.其结构通式为[M2+1-xM3+x(OH)2]x+(An-)x/n·mH2O,其中M2+和M3+分别代表二价（主要指Mg2+、Zn2+等）和三价（主要指Al3+、Fe3+等）的金属离子；x是摩尔比n(M3+)/(n(M2+)+n(M3+))；An-是层间阴离子；m为层间结构水分子数目[4].1.2 LDHs中的层间阴离子因为层状双金属氢氧化物的阴离子交换能力与其层间的阴离子种类有关，高价阴离子通过交换进入LDHs层间，低价阴离子被交换出来.可插入层间的阴离子有[5]：(1)无机阴离子，如F-、C1-、H2PO4-、CIO4-、SO32-、CO32-、WO42-、PO43-；(2)络合阴离子，如Fe(CN)53-、Ni[(C6H4O7)]2-、PdCl42-等；(3)有机阴离子，如对苯二甲酸根、柠檬酸根、十二烷基硫酸根、乙酸根、水杨酸根等；(4)同多或杂多阴离子，如(PW11CuO39)6-、(Mo7O24)6-等.1.3 LDHs中的层间距关于层状双金属氢氧化物材料的层间距问题有观点认为层间距由阴离子体积大小决定，还有一种看法认为层间距的大小主要是由阴离子与主体层板之间存在的超分子作用的强弱决定的，也有人认为层间阴离子所带电荷数是决定层间距的主要因素.2 阴离子柱撑的层状双金属氢氧化物的合成方法关于LDHs的制备，国内外研究者做了大量的工作，主要有两大研究方向，一是利用八面体层板上阳离子的同晶取代性进行；二是利用层间阴离子的可交换性进行.在已经用多种方法制备出层状双金属氢氧化物后，最常见于报道的有：共沉淀法[6]、焙烧复原法[7]、水热法[8]和离子交换法[9]等.2.1 共沉淀法共沉淀法可一步合成简单阴离子型LDHs，即在一定温度下用构成LDHs层的金属离子混合溶液在碱的作用下发生共沉淀，得到产物[10].其优点在于：其一是通过化学反应直接得到化学成分均一的纳米粉体材料，其二是容易制备粒度小、分布均匀的材料.但沉淀剂的加入可能会使局部浓度过高，产生团聚或组成不够均匀.Misra等[11]采用共沉淀法将活性氧化镁加入到含有CO32-、OH-且PH值大于13的溶液中，95℃反应1.5h后过滤，105℃下干燥，得到白色高纯的LDHs，但共沉淀法制备的沉淀粒子由于是渐次产生，物质的合成耗时长且粒子大小不均.2.2 焙烧复原法焙烧复原法一般制得特殊阴离子型LDHs，是指在一定条件下热处理HTLcs后，其焙烧产物即层状双金属氧化物（LDO）加入到含有某种阴离子的溶液中，重新吸收各种阴离子或简单置于空气中，使其能恢复原来的层状结构，得到新的HTLcs[12].叶瑛等[13]合成ZnAI-CO3-LDHs前驱体，550℃高温下焙烧5h，再将其分别加入到山梨酸和十二烷磺酸钠的水溶液中搅拌反应制得目标产物.该法优点是排除金属盐无机阴离子的影响，但缺点是容易生成非晶相物质，且制备过程较为繁琐.利用该法制备的HTLcs易受干燥条件、焙烧温度、焙烧时间、pH值等因素影响.2.3 水热法水热法一般是指在密闭的高压釜中，将原料溶解成为溶液,对反应体系加热、加压，使溶液在相对高温高压下充分反应，继而重结晶，制得无机目标产物.其优点是晶粒发育完整，粒度可控、分布均匀，原料便宜.为了最大限度保证LDHs的生长环境，Sramires等[14]采用水热合成法将镁铝浆液化合物在不含碱金属的悬浊液中，在50-100℃加搅拌常压下通过两步法即制得高纯LDHs，我国学者谢晖等[15]在水热合成水滑石方面也取得了一定的进展.Ulibarri等[16]比较了共沉淀法和水热法合成MG-Al-CO32-的差异，指出了水热法合成的材料结晶度较高，同时随水热温度的提高，合成的材料颗粒增加.2.4 离子交换法离子交换法是在需要引入的阴离子的溶液中，将其与前驱体层间的阴离子进行反应，通过离子交换获得LDHs[17].同时，结构中的阴离子的数量和种类可以发生变化，从而进行重新编排设计.近年来，科学工作者制备出较大、较长的双金属氢氧化物时往往采用离子交换法.Fudala 等[18]将氨基酸分子嵌入到Zn-Al-LDHs片层间，该复合材料能保持氨基酸分子的结构稳定性.对于离子交换法，一般具有难交换的层间阴离子如CO32-不宜作为LDHs的前驱体，而具有Cl-、NO3-等阴离子是较理想的前驱体材料.如Bontchev等[19]将层间阴离子为Cl-的LDHs的溶液混和，在室温交换，合成层间含有多种阴离子的LDHs，但通常采用离子交换法合成的LDHs存在纯度不高的缺点.3 LDHs的应用3.1 催化剂LDHs可以应用在催化方面反应中.因为其结构特性比较独特，LDHs具有酸碱性，而且可通过改变层间的阴、阳离子调节PH，因此可作为酸碱催化剂使用；同时焙烧后的LDHs具有较大的比表面积，水热稳定性高，活性好，可将其作为一载体材料.研究发现，LDHs可以很好的固定化卟啉等阴离子[20]，形成的催化剂有较好的选择性和活性，使用寿命也得到了提高，可重复利用.3.2 环境、安全材料3.2.1 阻燃材料LDHs的结构中含有一定量的结构水，因受热分解放出CO2与氧气隔绝，能抑制火焰的传播，可以自熄.同时能防止燃烧热量的扩散，降低温度，能使阻燃材料获得较强的阻燃性能.由于LDHs具有特殊的分子层状结构，受热分解可在物质内形成纳米固体碱，提高比表面积、分散性，对水蒸气、可燃性气体、酸性气体及易挥发物有吸附作用，强化其抑烟性能[21].Zou等人[22]研究发现，在层间阴离子所带负电荷越高、结构水含量越少条件下，可抑制生烟量且阻燃性能最好，对环境友好.3.2.2 防紫外线材料此类材料是一类对紫外线选择性的吸收，或者对紫外线有反射作用的物质，将有机吸收剂通过反应加入结构层中，合成的LDHs起到屏蔽紫外线，抑制光老化作用.邢颖[23]的研究发现，锌铝水滑石可减少紫外线的通过率，利用离子交换法得到了水杨酸根插层ZnA1-LDHs，其对紫外线辐射的屏蔽能力加强.同时加入能吸收紫外光物质的LDHs热稳定性好，不分解，有较高的防紫外线能力，屏蔽范围扩大.脱振军等[24]研究将吸收剂加入到LDHs层间，所制得的材料是一种理想的紫外线屏蔽材料.3.3 医药与健康材料因LDHs可与药物发生相互作用，同时其生物相容性、降解性较好，层间距可调，因此可作为药物的传输载体.LDHs纳米杂化物与药物存在范德华力、氢键作用、静电效应等作用、内部发生离子交换，可提高其安全性、溶解度、稳定性，作为药物缓释剂可达到非常好的缓释效果，有利于细胞吸收，增强其靶向性[25].将磷酸盐药物插层到LDHs中，通过中和反应调节胃液的pH值，可作为抗酸药治疗胃炎等疾病，同时降低药物的毒副作用[26].3.4 其他材料随着科技的进步，LDHs在其他方面又有了一些应用[27-30]，通过改变层间阴、阳离子的种类和数量，得到一系列多功能材料，如光电材料、磁光材料、荧光材料等.4 结语综上所述，阴离子型层柱材料应用由催化扩展到医学、环保[31]等领域，有关LDHs的研究发展迅速，随着人们对此类化合物研究的深入，将会有更多的有关物质被开发利用.LDHs在研究过程中展现出广阔的研究前景，在以后必将会成为一类应用价值高的无机非金属新型材料.参考文献：〔1〕Andrew L.Investigation of the surface structure and basicproperties ofHydrotal- cites[J]．Joumol of Catal，1992，138：547-560.〔2〕Evans D．G．，Duan X．Preparation of layered double hydroxides and their applica- tions as additives in polymers, as precursors to magnetic materials and in biology and medicine[J].Chem．Commun，2006，5：485-496.〔3〕杜以波,孙鹏,段雪.阴离子型层柱材料研究进展化学通报[J].2005（5）：20-24.〔4〕Kopka H．．Beneke K．，Lagaly G. 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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。
镁铝层状双金属氢氧化物
镁铝层状双金属氢氧化物镁铝层状双金属氢氧化物是一种由镁和铝两种金属元素组成的层状化合物。
它具有独特的结构和性质，使其在储能、催化和传感等领域具有广泛的应用前景。
镁铝层状双金属氢氧化物的结构由一层层的氢氧化物层和金属层交替排列而成。
其中，氢氧化物层由氢氧化镁和氢氧化铝组成，金属层由镁和铝交替排列。
这种层状结构使得镁铝层状双金属氢氧化物具有较大的表面积和丰富的活性位点，从而提高了其催化和吸附性能。
镁铝层状双金属氢氧化物在储能领域具有重要的应用价值。
由于其层状结构和丰富的活性位点，它能够有效储存和释放氢气。
这使得镁铝层状双金属氢氧化物成为一种理想的储氢材料，可以应用于氢能源的储存和利用。
此外，镁铝层状双金属氢氧化物还可以用于制备镁离子电池和镁空气电池等高性能储能设备。
在催化领域，镁铝层状双金属氢氧化物也表现出良好的催化性能。
由于其结构特点和丰富的活性位点，它可以作为催化剂用于多种反应，如氧还原反应、水分解反应和有机物催化转化等。
这些反应在能源转化、环境保护和化学合成等方面具有重要的应用意义。
镁铝层状双金属氢氧化物作为催化剂，具有高效、低成本和环境友好等优点，因此备受研究人员的关注。
镁铝层状双金属氢氧化物还具有传感性能。
由于其层状结构和丰富的活性位点，它可以用于气体传感和生物传感等领域。
例如，镁铝层状双金属氢氧化物可以用于检测环境中的有害气体，如甲醛、苯和氨气等。
镁铝层状双金属氢氧化物是一种具有独特结构和性质的化合物，具有广泛的应用前景。
它在储能、催化和传感等领域展示出良好的性能，并在氢能源、环境保护和生物医学等方面具有重要的应用价值。
随着对镁铝层状双金属氢氧化物的深入研究，相信它将在更多领域展现出其潜力和价值。
层状复合金属氢氧化物的结构及性质研究
第52卷第7期 辽 宁 化 工 Vol.52，No. 7 2023年7月 Liaoning Chemical Industry July，2023层状复合金属氢氧化物的结构及性质研究张思睿（浙江大学，浙江 杭州 310058）摘 要： 评述层状复合金属氢氧化物的化学结构和性质，并在两者间建立联系。
层状复合金属氢氧化物将氢氧化物层和阴离子相互结合，是利用共价键方式注重体现出主体层板，保证层间具有较弱的相互作用力，并利用科学的排序方式来构成层状复合结构，在化学研究上属于超分子化学的范畴。
基于其中氢氧化物层以及层间阴离子的特殊结构和稳定性差异，其具有较突出的化学性质，包括可逆的阴离子交换和热分解性质以及在化学催化中的重要作用。
介绍了层状金属氢氧化物的物质结构、阴离子交换性质、热分解性质及催化应用几个方面。
关 键 词：层状金属氢氧化物；氢氧化物层；层间阴离子；阴离子交换；催化中图分类号：O611.64 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2023）07-1039-04早在1842年，研究人员发现层状复合金属氢氧化物的首个成员水滑石，但并未当即将其化学成分报道出来，一直到1915年才被专业结构报道出来。
在开始阶段，水滑石被作为两种金属氢氧化物层堆积形成的，但后来完成的晶体结构分析指出实际上金属离子在同一层中[1]。
在正常情况下，层状氢氧化物（LDHs）结构是由[M x M’y(OH)2(x+y)]y+A n-y/n·mH2O构成，其中最常见的二价金属离子种类趋于多样化，如有Mn2+、Co2+、Fe2+、Ca2+、Mg2+等类型，三价金属离子同样有各种元素，如Fe3+、Co3+、Al3+、Mn3+等。
随着研究工作进程不断深入，这种化合物中的金属离子范围实现有效拓展，不再限制于上述两种类型，其逐渐向多元化方向发展。
而从某方面来看，层状氢氧化物中的层间阴离子能随意变换成任何阴离子。
根据有关人员实践证明，无机阴离子、配合物阴离子等类型的生物活性分子都能作为氧化物的层间阴离子[2]。
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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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。
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_高分子纳米复合材料的研究进展_王永建
学特 性 也 可 以 通 过 合 成 参 数 与 阴 离 子 的 选 择 来 改 变 。 ［１４］ 这 些
特点使得 ＬＤＨ／ＰＮＣ 得到了快速的发展。
１ ＬＤＨ／ＰＮＣ 的结构
根据 ＬＤＨ／ＰＮＣ 的 不 同 结 构，ＬＤＨ／ＰＮＣ 可 以 被 分 为 ３ 种：（１）聚集型；分散到聚合物中的 ＬＤＨ 纳 米 粒 子 结 构 组 成 并 不发生改变。ＬＤＨ 层板以彼此 平 行 的 方 式 聚 集 在 一 起。（２） 插层型；ＬＤＨ 层间 插 层 基 团 为 聚 合 物 大 分 子 ，其 层 间 距 被 扩 大，ＬＤＨ 层板间的作用也因 此 被 减 弱，与 聚 集 型 一 样，层 板 也 以彼此平行的 方 式 聚 集 在 一 起 。 （３）剥 离 型；ＬＤＨ 的 层 板 被 剥 离 ，以 单 层 的 结 构 分 散 于 聚 合 物 中 。３ ［１５－１６］ 种 ＬＤＨ／ＰＮＣ 的结构见图 １。
Ｊｒ等 通 ［２７］ 过 模 板 合 成 法 合 成 了 ＬＤＨ／聚 苯 乙 烯 磺 酸 盐 （ＰＳＳ）和 ＬＤＨ／聚 乙 烯 磺 酸 盐 （ＰＶＳ）纳 米 复 合 材 料。 将 ＰＳＳ 或者 ＰＶＳ 溶 于 水 中，通 过 传 统 的 双 滴 法 就 可 以 获 得 ＬＤＨ／ ＰＳＳ与 ＬＤＨ／ＰＶＳ纳米复合材料。
层状双金属氢氧化物及其衍生物电催化剂的制备与性能研究
层状双金属氢氧化物及其衍生物电催化剂的制备与性能研究层状双金属氢氧化物及其衍生物电催化剂的制备与性能研究引言：近年来，随着全球能源危机日益突显和环境污染问题的愈发严重，开发高效、低成本的电催化剂来解决能源转化和环境污染治理问题已成为全球科研界的热点之一。
层状双金属氢氧化物及其衍生物作为一种新型催化剂材料，具有高效催化活性、优异的导电性和良好的稳定性等优点，在电催化领域展现出巨大的应用潜力。
本文将结合近年来的研究成果，全面、系统地总结层状双金属氢氧化物及其衍生物电催化剂的制备方法和性能研究。
一、层状双金属氢氧化物的制备方法层状双金属氢氧化物常采用水热合成法制备。
首先，选择合适的金属离子源和氧化剂，通过调节反应温度和时间等条件，在水溶液中形成层状结构。
接下来，经过洗涤、离心和干燥等步骤，获取纯净的层状双金属氢氧化物材料。
除水热法外，还可以采用脉冲电化学沉积法、溶胶-凝胶法等其他方法来制备层状双金属氢氧化物，以获得不同形貌和结构的催化剂。
二、层状双金属氢氧化物的催化性能研究1. 层状双金属氢氧化物在氧还原反应中的应用氧还原反应是许多能源领域中重要的电催化反应之一。
研究表明，层状双金属氢氧化物具有优异的氧还原活性，能够催化氧气的还原为水，同时表现出良好的电催化稳定性。
此外，通过引入不同成分的金属离子，还可以调控其电子结构，从而实现催化活性的进一步优化。
2. 层状双金属氢氧化物在析氧反应中的应用析氧反应是水分解和金属空气电池等能源转化和储存过程中不可或缺的一步。
研究发现，层状双金属氢氧化物能够催化水的析氧反应，形成氧气和氢离子。
同时，通过改变金属离子的种类和比例，可以调节催化剂在析氧反应中的活性和稳定性，提高电催化效果。
3. 层状双金属氢氧化物的电催化机理层状双金属氢氧化物的电催化机理主要涉及表面活性位点、电子传递和物质传输等过程。
通过表面活性位点的合适设计和调控，可以增强催化剂与反应物之间的相互作用，进而提高催化活性。
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层状双金属氢氧化物（Layered Double Hydroxides，LDHs）是一类具有多种应用前景的材料。
在研究LDHs形成机理的过程中，人们逐渐深入了解了LDHs结构和表面化学特性，这对LDHs的应用和改进具有重要意义。
第一步，LDHs的结构。
LDHs由两种金属离子的氢氧化物组成，两种金属离子交替排列，形成了层状结构。
每层结构之间由负电荷离子协同作用，形成了完整的LDHs结构。
因此，LDHs的层间距（d），离子半径大小（r）和电荷数（z）都对其结构和化学特性有着重要影响。
第二步，LDHs的形成机理。
LDHs可以由水溶液中两种金属离子和一定量的碱反应而成。
碱性条件下，金属离子会先形成氢氧化物颗粒，然后一系列复杂的反应会使其由单一的氢氧化物颗粒转变为两种金属离子的氢氧化物层状结构。
这个过程中形成的金属离子氢氧化物颗粒可能是吸附型、母盐型或生长型，对LDHs的形成有着重要影响。
第三步，LDHs的表面化学特性。
LDHs的表面负电荷可以吸附阳离子，形成层状结构外的晶体上吸附层。
这种表面吸附和解离的反应称为吸附溶出平衡（Adsorption-Desorption Equilibrium，ADE）。
吸附层和层状结构之间的交互作用影响了吸附物质在LDHs上的吸附和释放。
此外，LDHs表面还存在着氧化还原反应、酸碱反应和表面修饰等多种反应，这些反应对LDHs在水处理、药物传递和催化等方面应用都有着重要意义。
总之，LDHs的结构、形成机理和表面化学特性是研究LDHs在不同领域应用的重要基础。
未来还有待进一步加深对LDHs的认识，以推动其更广泛的应用。
层状双金属氢氧化物吸附材料在水处理中的研究进展
层状双金属氢氧化物吸附材料在水处理中的研究进展魏艳平【摘要】层状双金属氢氧化物(Layer double hydroxides,简称LDHs)类材料因具有阴离子交换、记忆效应、耐高温、耐酸碱等特殊性能,在功能高分子材料、化妆品、医药、电工、塑料、环境保护等行业具有广泛的研究和应用价值.根据近年来国内外相关学者研究成果,本文分析了LDHs材料在阴离子有机物和重金属的去除、工业废水处理、污染物指示材料、废物回收、材料加工等方面的技术研究和实际应用进展,有助于全面了解层状双金属氢氧材料在水处理领域的研究应用情况,为进一步发掘其潜在应用价值提供思路.【期刊名称】《四川环境》【年(卷),期】2014(033)002【总页数】5页(P127-131)【关键词】层状双金属氢氧化物;水处理;应用【作者】魏艳平【作者单位】上海达源环境科技工程有限公司,上海200092【正文语种】中文【中图分类】X703层状双金属氢氧化物 (layered double hydroxides，简称LDHs)是一种层间具有可交换阴离子的层状化合物，其化学通式为 (OH)2］p+(Xn－)p/n·yH2O。
该类化合物层板通过强的化学键作用而形成，层间则是一种弱的相互作用，如静电作用及氢键［1］。
位于层间的阴离子和水可以在一定条件下克服这种弱的作用力，被新的物质取代，在层间自由移动，层板间距随着插入物大小而变化，其原有的层状结构而不被破坏。
由于这种特殊的结构形式，使得LDHs类材料具有很强的阴离子交换能力。
随着不断深入的研究发现，LDHs类材料还具有独特的结构记忆效应［2］、吸附性能［3］、耐高温［4］等特殊性能，并且其成本低、容易制备、可生物降解，使得其在功能高分子材料、化妆品、医药、电工、塑料、环境等行业得到广泛的研究和应用［5］。
1 阴离子有机污染物的去除LDHs具有很好的阴离子交换能力，并且焙烧后的LDHs具有“结构记忆效应”，置于含有某种阴离子溶液当中，能恢复成原有的LDHs层状结构。
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。
层状双金属氢氧化物形成机理的研究现状
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2018年第37卷第1期·128·化 工 进展层状双金属氢氧化物形成机理的研究现状张胜寒，陈玉强，姜亚青，孙晨皓（华北电力大学(保定)环境科学与工程系，河北 保定071000）摘要：近年来，层状双金属氢氧化物（LDH ）凭借特殊的层状结构、极强的可调控性能、优异的环境兼容性及显著的应用效果等特点，在环保、催化、储能、传感等领域得到广泛关注。
国内外多数研究集中于LDH 可控合成工艺的改进完善及LDH 的应用探索，但迄今对制备LDH 时涉及其组成结构形貌的变化过程，即其形成机理的关注较少，相关机制解释模糊，深入研究其形成过程对于可控制备具有独特形貌和特定组成的LDH 及开发更深层次的应用具有至关重要的作用。
本文介绍了LDH 层板形成机理的3个主要研究方向，即以二价金属氢氧化物的存在为基础、以三价金属氢氧化物的存在为基础和拓扑相变机制，并分别进行了阐述辨析及对比分析，发现LDH 层板的形成是一个极其复杂的过程，多种机制往往共同作用，总结认为固液及液液反应在初期成核阶段占据主导地位，各自作用程度及不同层板构筑机制产生的主导作用易受到外界环境因素影响，而更为普遍的LDH 形成机制解释需要归纳总结更多LDH 层板构筑的区别和规律，宏观和微观上探索形成过程的内在机理及科学本质，以期为LDH 开发拓展提供理论基础。
关键词：层状双金属氢氧化物；形成机理；氢氧化物；拓扑相变；化学反应中图分类号：TQ13; O611.64 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）01–0128–12 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0779R esearch progress of layered double hydroxide formation mechanismsZHANG Shenghan ，CHEN Yuqiang ，JIANG Yaqing ，SUN Chenhao（Department of Environment Science and Engineering ，North China Electric Power University ，Baoding 071000，Hebei ，China ）Abstract ：Layered double hydroxide （LDH ）are a kind of promising special multifunctional layeredmaterials ，which have the excellent regulatable capability ，perfect environmental compatibility and remarkable efficiency ，so they have been studied extensively in environmental protection ，catalysis ，energy storage ，transducer and other fields. Most researches are conducted on the improvement of tailored synthesis methods and application of LDH ，whereas the research on the transformation of LDH （composition ，structure and morphology ）is rare ，especially on the general formation mechanism of LDH. The controllable preparation and in-depth applications of LDH with unique morphology and specific composition are highly demanded. An overview and comparison are presented on the interpretations of primary LDH laminate formation mechanisms which are the existence of divalent metal hydroxide ，the existence of trivalent metal hydroxides and the direct topological phase transition mechanism. The solid-liquid and liquid-liquid reactions are thought to play a dominant role in the initial nucleation stage ，while the multiple mechanisms ，the various influences and the mastery reaction are easily affected by the external conditions. To obtain a more universal mechanistic insight on LDH究方向为金属腐蚀与防护及废水处理。
层状双氢氧化物的层间结构__概述说明
层状双氢氧化物的层间结构概述说明1. 引言1.1 概述双氢氧化物是一类具有特殊层状结构的无机化合物，由金属离子（通常是Mg2+或Al3+）和氢氧根离子（OH-）构成。
这些化合物以层状的结构排列，并且层与层之间通过静电作用力相互吸引而保持稳定。
双氢氧化物不仅具有优异的物理和化学性质，还以其广泛的应用领域而闻名。
1.2 文章结构本文将从以下几个方面对层状双氢氧化物的层间结构进行概述：首先介绍其定义和基本概念，包括描述其组成以及晶体结构特征。
接着讨论形成层状结构的机制，解释了存在于这些材料中的相互作用力和堆积方式。
然后，我们将探讨影响双氢氧化物层间结构的因素，并详细说明每个因素对材料性质和应用性能的影响。
在第三部分中，我们将介绍一些常用于研究和表征双氢氧化物层间结构的方法和技术，包括X射线衍射分析、扫描电子显微镜观察以及原位实时观察技术。
这些方法为我们提供了深入了解层状双氢氧化物结构的关键信息。
第四部分将重点介绍层状双氢氧化物的应用领域和前景展望。
具体而言，我们将探讨其在催化剂研究与应用中的潜力，药物载体和控释系统开发中的应用以及在环境治理方面的潜在应用前景。
这些领域都与层状结构材料的特殊性质密切相关，并且已经取得了一些有希望的成果。
最后，在结论部分，我们将总结本文中提到的主要观点和发现，并展望未来对双氢氧化物层间结构进行更深入研究的方向。
我们相信随着科学技术的不断进步，层状双氢氧化物将有更广阔和多样化的应用前景，为各行各业带来更多机遇和挑战。
1.3 目的本文旨在全面探讨层状双氢氧化物的层间结构，并深入理解其形成机制、特性影响因素和应用前景。
通过对这些方面的综合分析和概述，旨在为相关研究人员提供更全面的了解和指导，促进双氢氧化物在材料科学和应用领域的发展。
2. 层状双氢氧化物的层间结构2.1 定义和基本概念层状双氢氧化物是一类具有特定层间结构的材料，由阳离子层和阴离子层组成。
阳离子层通常由二价或三价的金属阳离子组成，而阴离子层则是以水分子或氧氢基团为主要基元。
层状复合金属氢氧化物的研究概况
层状复合金属氢氧化物的研究概况水滑石类阴离子粘土，主要是指水滑石（Hydrotalcite，简写为HT）和类水滑石（Hydrotalcite like compound，简写为HTlcs）。
又称其为层状复合金属氢氧化物（Layered Double Hydroxide，简写为LDHs），这种命名是因为一般由两种或两种以上金属的氢氧化物构成其主体结构，它们的插层产物，我们称之为插层结构水滑石。
水滑石类层状材料（LDHs）包含了水滑石、类水滑石和插层结构的水滑石。
标签：复合金属；氢氧化物；层状LDHs已经具有了100多年的发展历史，在1942年，通过金属盐溶液和碱金属氢氧化物反应，Feitknecht等首次合成了LDHs，并具有其为双层结构的想法。
1969年，Allmann等进行了各方面研究，LDHs的单晶结构第一次被测定并确定了出来。
近些年来，人们对于LDHs的认识越来越深刻，对超分子化学进行了定义并提出了插层组装的概念，在LDHs的研究工作方面，具有了更多的理论和数据支持。
LDHs的主体层板内存在着比较强的共价键，层体间的作用力相对比较弱，通过静电作用、氢键和范德华力等力的作用，主客体之间进行结合，主、客体排列方式比较有序，这种材料我们称之为一类具有超分子结构的复合材料。
此类材料具有特殊的结构和性质，这样就使其具备了LDHs主体和插层客体的共同优点，此类材料具有非常广阔的应用前景，特别是在催化、吸附、光化学、阻燃等化工和其他领域。
1 LDHs的基本结构LDHs所具有的通式为[M2+1-xM3+x（OH）2]x+[An-x/n]·mH2O[33-35]，式中M2+，M3+代表二价金属阳离子和三价金属阳离子；x=M3+/（M2++M3+）的摩尔比；An-代表带有n个负电荷的阴离子；m代表结晶水量。
M2+和M3+离子均匀的分布于层体间。
LDHs主体层板间存在着较强的共价键作用，且位于层间的客体阴离子和层板间是以氢键、范德华力等相互作用，主体和客体通过相互作用间的方向性、选择性和协同性通过有序的方式进行排列，插入层板之间形成超分子插层结构。
层状双氢氧化物纳米材料的研究进展
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｈ ｍｉ ｒ ｎ ｈ ｍｉａ Ｅ ｇｎ ｅｉ ｇ Ｓ ｅ ｚ ｅ ｉｅ ｓ ｙＧｕ ｎ ｄ ｎ ０ ０ ＰＲ Ｃｈｎ ） Ｓ ｈ ｏ ｅ ｓ ｙａ ｄＣ ｅ ｃ ｌ ｎ ｉｅ ｒ ， ｈ ｎ ｈ ｎ Ｕｎｖ ｒｉ ， ａ ｇ ｏ ｇ ５ ６ ， ． ｉａ ｏ Ｃ ｔ ｎ ｔ １ ８ ＡｂｔａｔＬ ｙ ｒｄｄ ｕ ｌ ｙ ｒｘｄ ｓＬ ｓ ｃ：ａ ｅｅ ｏ ｂｅｈ ｄ ｏ ｉｅ （ ＤＨｓｃ ｎｂ ｃ ｒｏ ａｅ ｔ ａｉｕ ｔｌ ａｉｎ ｔ ｅｈ ｄｏ ｉｅｌｙ ｒ ｎ ｒ ）ａ ｅｉ ｏｐ ｒｔｄｗｉ ｖ ｒ ｓｍｅａ ｃ ｔ ｓｎ ｏｔ ｙ ｒｘｄ ｅｓａ ｄ ｎ ｈ ｏ ｏ ｉ ｈ ａ
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关键词 ：层状双 氢氧化物 （ Ｄ ｓ Ｌ Ｈ）；纳米材料 ；制 备 ；性 能
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐ ｏ ｒ ｓ ｆ ｙ ｒ ｄＤ ｏ ｂ ｅＨｙ ｒ ｘｄ ｓＮａ ｏｍａ ｅ ｉ ｌ ｓ ａ ｃ ｒ ｇ ｅ ｓｏ ｅ ｅ ｕ ｌ ｄ ｏ ｉｅ ｎ Ｌａ ｔ ｒａ ｓ
层状双金属氢氧化物及其衍生物电催化剂的制备与性能研究
在设定的电位下，测量电流随时间变化的关系，可以评估催化剂的稳定性。
电化学活性表征
活性物种表征
通过对比催化剂在电化学反应前后的物种变化，可以确定催化剂上参与反应的活性物种。
反应机理研究
通过分析电化学反应过程中电流随时间的变化规律，结合活性物种表征结果，可以揭示电化学反应机 理。
随着研究的深入，LDH及其衍生物的制备方 法和结构与性能关系等方面已经取得了一定 的进展，但仍然存在许多问题需要进一步解 决。例如，如何实现催化剂的高效制备和规 模化生产、如何提高催化剂的稳定性和耐久 性、如何深入理解催化剂的结构与性能关系
等方面的问题。
研究内容、目的和方法
研究内容：本课题旨在开发高效、稳 定的LDH及其衍生物电催化剂，研究 其制备方法、结构与性能关系等方面 的问题。具体研究内容包括
《层状双金属氢氧化物及其 衍生物电催化剂的制备与性
能研究》 2023-10-30
contents
目录
• 绪论 • 层状双金属氢氧化物及其衍生物的制备 • 层状双金属氢氧化物及其衍生物电催化剂
的物理和化学性质 • 层状双金属氢氧化物及其衍生物电催化剂
在燃料电池中的应用研究
contents
目录
• 层状双金属氢氧化物及其衍生物电催化剂 在锌空电池中的应用研究
02
层状双金属氢氧化物及其 衍生物的制备
制备方法概述
化学气相沉积（CVD）
利用前驱体在高温下发生化学反应，生成 目标产物。
溶液法
通过控制反应条件，从溶液中合成目标产 物。
物理法
利用物理手段，如机械研磨、激光诱导等 ，制备目标产物。
实验材料与设备
双金属氢氧化物作为铝离子电池材料
双金属氢氧化物作为铝离子电池材料双金属氢氧化物作为铝离子电池材料的研究随着科技的发展，人们对能源的需求越来越大，而电池作为一种便携式的能源储存设备，已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
在众多电池类型中，铝离子电池因其高能量密度、低自放电率和环保等优点，逐渐成为研究的热点。
而双金属氢氧化物作为一种新型的铝离子电池材料，近年来也引起了广泛关注。
本文将从理论和实验两个方面对双金属氢氧化物作为铝离子电池材料的研究进行探讨。
一、理论分析1.1 双金属氢氧化物的结构与性质双金属氢氧化物是由两种金属离子组成的化合物，其中一种是铝离子(Al3+),另一种是镁离子(Mg2+)。
这两种金属离子在电解质中形成双层结构，形成了一个类似于“s”形的通道，使得铝离子可以在电极表面与镁离子之间自由移动。
这种结构使得双金属氢氧化物具有较高的电导率、较低的内阻和较好的循环性能。
1.2 双金属氢氧化物的电化学反应在铝离子电池中，铝离子在阳极上发生氧化反应，释放出电子，经过外电路流向阴极，与镁离子发生还原反应，生成铝离子。
这个过程可以表示为：Al3+ + e→ Al^2+(aq) (铝离子在阳极上被氧化)Mg2+ + 2e→ Mg^2+(aq) (镁离子在阴极上被还原)1.3 双金属氢氧化物的电势垒在铝离子电池中，由于双金属氢氧化物的结构特点，铝离子在阳极和阴极之间的迁移速率受到电势垒的影响。
电势垒是指在电极表面形成的一层电介质，使得电子无法直接穿过这层电介质到达另一侧电极。
在双金属氢氧化物中，由于镁离子的存在，使得铝离子在阳极表面的迁移速率受到一定程度的限制。
这种现象可以通过计算电势垒来描述：E° = E°0 [Fe/Al]×[dE°/dt]其中，E°0是标准电动势，[Fe/Al]是铁离子浓度与铝离子浓度之比，[dE°/dt]是电势垒随时间的变化率。
通过调整铁离子浓度和铝离子浓度，可以改变电势垒的大小和位置，从而影响电池的性能。
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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。
总之，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。
层状双金属氢氧化物的形成机理是研究的热点之一，研究者们通过多种手段对其进行探究，为其应用和开发提供了理论基础和技术支持。
未来，随着科学技术的不断发展，层状双金属氢氧化物的研究将会更加深入和广泛。