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【非金属矿应用】水滑石的合成方法

2013-09-05 11:50阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/3314222563

　　水滑石是一种层柱状双金属氢氧化物(Layered double hydroxide compounds,简称LDH),是一类近年来发展迅速的阴离子型粘土。水滑石具有特殊的结构和物理化学性质，如带电性质、阴离子可交换性、吸附性能催化性能等，在催化剂、催化剂载体、杀虫剂、污水处理剂、电流变调节剂、医药、医药载体及石油工业等众多领域具有广泛的应用。
　　一、水滑石的结构
　　水滑石是一种天然的矿物，其组成通式为[Mg2+1-xAl3+x(OH-)2An-x/n·mH2O]，其中An-代表层间可交换的阴离子，典型的化学组成是Mg6Al
2(OH)16C03·4H2O，它的结构非常类似于水镁石Mg(OH)2。水镁石基本构造单元是镁氧八面体，八面体的中央是Mg2+，6个顶角是OH-。相邻八面体间靠共用边相互联接形成二维延伸的配位八面体结构，其单元晶层称为水镁石片。当水镁石片中的Mg2+被A13+同晶置换后,晶体结构不变,形成镁铝氢氧化物八面体结构层,称为类水镁石片,是水滑石的单元晶层。水滑石就是由这种类水镁石片面一面重叠形成的。在类水镁石片中，高价的A13+取代部分低价的Mg2+，使类水镁石片层带上正电荷，这些正电荷被层间的阴离子CO32-平衡，使得这一结构呈电中性，同时层间阴离子电荷分布还影响着层板酸碱性的变化；层间阴离子与层板以静电力及通过层间水或层板上的羟基以氢键的方式相结合，另外层间也存在一定数目的水分子，由于结合力小(氢键)，可在适当的高温下除去，同时也不破坏水滑石的结构。
　　水滑石的典型结构和层状结构分别如图1、图2所示。
【非金属矿应用】水滑石的合成方法

图1 水滑石的结构图
【非金属矿应用】水滑石的合成方法

图2 水滑石的层状结构
水滑石的组成具有可变性,当Mg2+和A13+被半径相似的二价或三价阳离子(如Zn2+、Cu2+、Fe3+)同晶取代,或CO32-被其他阴离子取代，即形成所谓的类水滑石。类水滑石和水滑石在结构上相同，只是其化学组成如金属离子和阴离子的种类、相对比例发生了变化。
二、水滑石的基本性能
1、碱性
水滑石最基本的性能是碱性。这是因为水滑石的层面上含有较多的轻基,另外当层间阴离子为弱酸根时,由于其水解,也呈现出碱性。不同的LDHs的碱性强弱与组成中二价金属氢氧化物的碱性强弱基本一致,但由于它一般具有很小的比表面积(5-20m2/g),表观碱性较小,其较强的碱性往往在锻烧产物中表现出来。经锻烧的产物一般具有较高的比表面积(200-300m2/g)。3种强度不同的碱中心和不同的酸中心,其结构中间中心充分暴露,使其具有比水滑石更强的碱性。
2、层间阴离子的可交换性
水滑石层与层之间的阴离子具有可交换性，层间的阴离子CO32-可与无机阴离子(F-、Cl-、PO43-、Fe(CN)3-6等)、有机阴离子(对苯二甲酸根等)、配合物阴离子(如Zn(BPS)4-3)、同多或杂多阴离子(如Mo7O6-24、V10O6-28等)以及层状化合物相交换或插层，从而得到一系列新的功能不同的材料。层间阴离子的可交换性取决于它们所带的电荷数及自身的性质。
3、热稳定性（也可称为记忆效应）
水滑石具有独特的热稳定特性。在一定温度下将LDH焙烧一定时间的样品(此时样品通常是金属的复合氧化物LDO)加入到含有某种阴离子的液体介质中,其结构可以部分恢复到具有有序层状结构的LDH。一般而言,焙烧温度在500℃以内,结构的恢复是可能的,以Mg-Al-LDHs为例,温度在500℃内的焙烧产物接触到水以后其结构可以部分恢复到具有有序层状结构的LDHs;当焙烧温度在600℃以上时生成具有尖晶石结构的焙烧产物,导致结构无法恢复。
4、组成和结构的可控性
水滑石类化合物其主体层板的元素种类及组成比例、层间阴离子的种类及数量、二维孔道结构可以根据需要在宽范围调变，从而获得具有特殊结构和性能的材料。LDHs组成和结构的可调变性以及由此所导致的多功能性,使LDHs成为一类极具研究潜力和应用前景的新型材料。
三、水滑石的合成方法
1、共沉淀法
用构成水滑石层的金属离子的混合溶液在碱作用下发生共沉淀是制备水滑石最常见的方法。即在一定温度和碱性条件下，用相应的可溶性盐与碱反应来合成，可溶性的镁盐和铝盐分别采用硝酸盐、硫酸盐或氯化物等；碱可采用氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等；碳酸盐可用碳酸钠、碳酸钾等。共沉淀法分为低过饱和度共沉淀法和高过饱和度共沉淀法。
低过饱和共沉淀法：按一定的比例将金属硝酸盐配成一定浓度的混合盐溶液(Sol A)，将NaOH和Na2C03按一定的比例配成混合碱溶液(So1 B)，在三颈烧瓶中预先装入一定量的蒸馏水，加热至一定的温度，将So1 A和So1 B按一定的滴速缓慢同时滴入三颈烧瓶中，维持反应体系的pH在一恒定值,激烈搅拌。滴定完毕后,继续搅拌陈化,最后经过滤、洗涤、烘干,得产物。此种方法是水滑石合成中的一种常用方法。
高过饱和共沉淀法：即将So1 A和So1 B各自预先加热至反应温度,快速将两种溶液同时倒入装有预先加热到和该溶液相同温度的二次蒸馏水的大烧杯中,激烈搅拌。经陈化、过滤、洗涤、烘干、得产物。此种方法在水滑石的合成中用得较少。
韶关学院陈慧琴等以Cu(NO3)2·6(H2O)和Al(NO3)3·9(H2O)为原料,NaOH和Na2

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