中國粉體網(wǎng)訊  水滑石類材料（Layered double hydroxides，簡稱LDHs），又稱陰離子性黏土（Anionic clay），是一類具備特殊結(jié)構(gòu)的層柱狀化合物，是由帶正電荷的金屬氫氧化物層和層間填充可交換陰離子所構(gòu)成，因此也稱作層狀雙金屬復合氫氧化物。

水滑石的基本結(jié)構(gòu)

水滑石最早由瑞典的 Crica 在 1842 年由發(fā)現(xiàn)，典型的水滑石化學組成是Mg6Al2(OH)16CO3•4H2O，與水鎂石(Mg(OH)2，Brucite)的結(jié)構(gòu)類似。由帶正電的主體層板及插層的客體陰離子和水分子所構(gòu)成。

LDHs層狀化合物結(jié)構(gòu)示意圖

水滑石的主要性質(zhì)

結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性

在水滑石結(jié)構(gòu)中由于其是由主層板之間的正電荷與層間客體中的陰離子構(gòu)成，因此其層板化學組成、層板內(nèi)部空間構(gòu)成、內(nèi)部晶粒尺寸和分布、層板之間的陰離子種類和數(shù)量都具有可調(diào)控性等特點。

酸堿雙功能性

水滑石同時具有酸性和堿性的特征。

熱穩(wěn)定性

水滑石材料的熱穩(wěn)定性會隨著層板金屬陽離子種類以及層間陰離子種類而變化。

記憶效應

水滑石的記憶效應是指水滑石在空氣氛圍內(nèi)，450~500℃煅燒成復合雙金屬氧化物候，與所需插層的陰離子的溶液在一定條件下混合，可重新形成新的LDHs的現(xiàn)象，即所謂LDHs的“記憶”效應。

光催化性

層狀結(jié)構(gòu)有利于電荷轉(zhuǎn)移，而電荷轉(zhuǎn)移能有效阻擋光生載流子復合，從而保證層板納米顆粒良好的分散性。

阻燃性能

水滑石層板上存在許多OH-，層板間含有大量CO32-與結(jié)晶水，在較低溫度加熱時層間水會被釋放出來，高溫時層板上OH-和層間的CO32-分別以H2O和CO2的形式釋放，脫除出來的H2O和CO2可以稀釋可燃性氣體，同時隔絕氧氣，吸收熱量，降低產(chǎn)生的高溫。

水滑石的合成方法

常用的水滑石制備方法主要包括共沉淀法、離子交換法、水熱合成法、焙燒復原法等。

共沉淀法

將可溶性金屬鹽溶液與堿溶液混合，發(fā)生共沉淀反應生成沉淀，通過晶化使含有沉淀物的溶液成晶，經(jīng)過洗滌、抽濾、干燥、研磨即得水滑石產(chǎn)品。

特點：工藝流程很簡單，適用范圍很廣。合成過程中晶體的成核過程與晶化過程同時進行，可能會造成水滑石顆粒分布不均勻、粒徑的范圍較大。目前而言，共沉淀法是合成水滑石最常用、最基本的方法。

水熱合成法

將二價與三價金屬離子的混合液和堿液快速混合或者慢慢滴加在一起，便會有沉淀析出，過濾后立即將乳狀液加入到高壓釜中，通常情況下，在約100℃下老化一定時間，經(jīng)過過濾、洗滌、干燥、研磨便可得到產(chǎn)品。

特點：操作方法很簡便，得到的水滑石晶體結(jié)構(gòu)更完整并且粒子比較小，形貌會更加規(guī)整，樣品的粒徑分布更窄。

離子交換法

陰離子交換法是指利用層間陰離子可交換性的獨特性質(zhì)，水滑石層板間的陰離子被待插入的陰離子替換，由此獲得水滑石產(chǎn)品的方法。

特點：適宜的溶劑及溶脹條件有利于水滑石前驅(qū)體層板的撐開，便于進行離子交換；粒徑越小、電荷越高，陰離子的交換能力就越強；pH值小有利于減小水滑石層板間陰離子的作用力，利于離子交換，但當pH過低則會破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，反而不利于生成水滑石。

焙燒復原法

焙燒復原法是指在高溫空氣中焙燒水滑石材料，并在氮氣保護氣下通過水熱復原再生將焙燒所得混合氧化物與待替換的陰離子溶液發(fā)生反應，由此制得水滑石。

特點：該方法可以制備出一些成分復雜且不易直接制備的插層陰離子型水滑石，但層板結(jié)構(gòu)不能完全恢復，且產(chǎn)品純度一般。

尿素法

尿素法是將尿素加入到混合金屬鹽溶液中，在一定的溫度下尿素會分解產(chǎn)生氨氣，此時氨氣充當堿液的作用，用來確保LDHs所需的堿濃度，從而保證LDHs的成核和晶化。該法可以合成出高結(jié)晶度的鎂鋁、鎳鋁和鋅鋁類水滑石。

溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是用酸（HCl或HNO3）作為沉淀劑，先將金屬烷氧基化合物在沉淀劑溶液中進行反應形成沉淀物，控制條件，得到凝膠，凝膠經(jīng)洗滌和焙燒得到LDHs。

機械力化學法

機械力化學法制備水滑石是將合成水滑石的原料金屬鹽和堿放入高能球磨中進行高速研磨，在高能機械力作用誘發(fā)物理化學和結(jié)構(gòu)變化生成LDHs的方法。

微波照射法

使用頻率為300~300000MHz的電磁波為加熱源對制備水滑石過程進行加熱，與傳統(tǒng)的加熱方法比較可以大大節(jié)省制備時間。

微乳法

以表面活性劑/有機溶劑/水以一定的比例混合形成微乳液環(huán)境，合成水滑石的原料被包在各個小液滴中，用恒定pH值法或變pH值法來合成LDHs。該方法合成的LDHs形貌和傳統(tǒng)方法得到的產(chǎn)品不同。

整體而言，共沉淀法和水熱合成法的操作工藝簡單，對設備要求較低，制備過程容易控制，適用范圍廣，因此成為一種合適的水滑石制備方法。

水滑石的應用

水滑石類化合物具有層板化學組成的可調(diào)控性、層間陰離子的可交換性和陽離子的可調(diào)配性、晶體尺度及分布的可調(diào)控性、酸堿雙功能性、熱穩(wěn)定性、記憶效應、光催化性等多種性質(zhì)，正是這些特性決定了其在離子交換、環(huán)境科學、光催化、醫(yī)藥化學等多個領(lǐng)域具有廣闊的應用價值。

在處理有機污染物時的應用

由于水滑石類材料具有特殊的層狀結(jié)構(gòu)、不產(chǎn)生二次污染且容易再生、成本低廉等特性，水滑石材料作為光催化劑在環(huán)境治理方面受到廣泛關(guān)注。

在催化劑及其載體方面的應用

由于水滑石類材料特殊的層狀多孔結(jié)構(gòu)，在催化領(lǐng)域也受到了研究人員的青睞。水滑石類化合物可用作催化劑載體、氧化還原催化劑等，用于多種重要的有機反應中。

醫(yī)藥方面的應用 

利用 LDHs 的堿性制成的堿性藥物，通過中和反應調(diào)節(jié)胃液 pH 值可用于治療一些常見胃病如胃炎、胃潰瘍、十二指腸潰瘍等。

功能高分子材料的應用

可以用做多功能紅外吸收材料、紫外吸收和阻隔材料、新型殺菌材料、新型阻燃材料以及新型穩(wěn)定劑。

在生物/無機雜化材料方面的應用

LDHs的層間離子交換性質(zhì)、二維層內(nèi)空間可調(diào)變性質(zhì)以及層板可剝離的性質(zhì)使得其可以插層或組裝體積較大的客體陰離子，因而在生物無機雜化材料方面得到了廣泛的關(guān)注。

其他方面的應用

在阻燃劑和PVC熱穩(wěn)定劑方面以及新材料的合成等方面都具有應用。水滑石化合物作為一類綠色環(huán)保無污染的三維結(jié)構(gòu)納米材料，極具研究潛力和應用價值。

參考資料：

韓媛媛.水滑石類光催化劑的制備及其印染廢水處理性能研究

李宏林.水滑石/PA6 納米復合材料的制備、 結(jié)構(gòu)與性能 

薛繼龍.水滑石材料處理染料廢水的研究

林云.具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)柱撐水滑石的制備及應用研究

賀娟.水滑石合成與吸附性能研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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