中國(guó)粉體網(wǎng)訊  水滑石類材料（Layered double hydroxides，簡(jiǎn)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?gòu)?fù)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(xué)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(xué)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(diǎn)。

酸堿雙功能性

水滑石同時(shí)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(huì)隨著層板金屬陽(yáng)離子種類以及層間陰離子種類而變化。

記憶效應(yīng)

水滑石的記憶效應(yīng)是指水滑石在空氣氛圍內(nèi)，450~500℃煅燒成復(fù)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(yīng)。

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(fù)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(shí)層間水會(huì)被釋放出來(lái)，高溫時(shí)層板上OH-和層間的CO32-分別以H2O和CO2的形式釋放，脫除出來(lái)的H2O和CO2可以稀釋可燃性氣體，同時(shí)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(fù)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(yīng)生成沉淀，通過(guò)晶化使含有沉淀物的溶液成晶，經(jīng)過(guò)洗滌、抽濾、干燥、研磨即得水滑石產(chǎn)品。

特點(diǎn)：工藝流程很簡(jiǎn)單，適用范圍很廣。合成過(guò)程中晶體的成核過(guò)程與晶化過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，可能會(huì)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(jià)與三價(jià)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(huì)有沉淀析出，過(guò)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(shí)間，經(jīng)過(guò)過(guò)濾、洗滌、干燥、研磨便可得到產(chǎn)品。

特點(diǎn)：操作方法很簡(jiǎn)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(huì)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(dú)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(diǎn)：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(kāi)，便于進(jìn)行離子交換；粒徑越小、電荷越高，陰離子的交換能力就越強(qiáng)；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(dāng)pH過(guò)低則會(huì)破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，反而不利于生成水滑石。

焙燒復(fù)原法

焙燒復(fù)原法是指在高溫空氣中焙燒水滑石材料，并在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣下通過(guò)水熱復(fù)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(yīng)，由此制得水滑石。

特點(diǎn)：該方法可以制備出一些成分復(fù)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(fù)，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(huì)分解產(chǎn)生氨氣，此時(shí)氨氣充當(dāng)堿液的作用，用來(lái)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(jìn)行反應(yīng)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(jī)械力化學(xué)法

機(jī)械力化學(xué)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(jìn)行高速研磨，在高能機(jī)械力作用誘發(fā)物理化學(xué)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(duì)制備水滑石過(guò)程進(jìn)行加熱，與傳統(tǒng)的加熱方法比較可以大大節(jié)省制備時(shí)間。

微乳法

以表面活性劑/有機(jī)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(gè)小液滴中，用恒定pH值法或變pH值法來(lái)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(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求較低，制備過(guò)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(yīng)用

水滑石類化合物具有層板化學(xué)組成的可調(diào)控性、層間陰離子的可交換性和陽(yáng)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(yīng)、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(xué)、光催化、醫(yī)藥化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

在處理有機(jī)污染物時(shí)的應(yīng)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(yīng)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(jī)反應(yīng)中。

醫(yī)藥方面的應(yīng)用 

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

功能高分子材料的應(yīng)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(wú)機(jī)雜化材料方面的應(yīng)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(wú)機(jī)雜化材料方面得到了廣泛的關(guān)注。

其他方面的應(yīng)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(yīng)用。水滑石化合物作為一類綠色環(huán)保無(wú)污染的三維結(jié)構(gòu)納米材料，極具研究潛力和應(yīng)用價(jià)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(fù)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(yīng)用研究

賀娟.水滑石合成與吸附性能研究

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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