水热法制备水滑石教学课件

层状双羟基复合金属氧化物（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）。

1842年Hochstetter首先从片岩矿层中发现了天然水滑石矿；二十世纪初人们由于发现了LDH对氢加成反应具有催化作用而开始对其结构进行研究；1969年Allmann 等人通过测定LDH单晶结构，首次确认了LDH的层状结构；二十世纪九十年代以后，随着现代分析技术和测试手段的广泛应用，人们对LDHs结构和性能的研究不断深化。

简介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。

一般来讲，只要金属阳离子具有适宜的离子半径（与Mg2 +的离子半径0.072 nm相差不大）和电荷数，均可形成LDHs层板[1]。

其化学组成可以表示为[MⅡ1-xMⅢx (OH)2] x +(An- )x/n·mH2O ,其中MⅡ为Mg2 + , Ni2 + , Co2 + , Zn2 + ,Cu2 + 等二价金属阳离子;MⅢ为Al3 + , Cr3 + , Fe3 + , Sc3 + 等三价金属阳离子;An - 为阴离子,如CO2 -3 , NO3 -, Cl - , OH- ,SO24 -, PO34 - , C6H4 (COO)2 2 -等无机和有机离子以及络合离子,则层间无机阴离子不同， LDHs的层间距不同[2]。

镁铝水滑石的水热合成及表征引言在无机化学领域中，水热合成方法被广泛应用于制备金属氧化物和无机材料。

本文将讨论一种常见的水热合成反应——制备镁铝水滑石，并对其进行表征。

一、水热法的原理和优势1.1 水热法的原理水热法即利用高温高压的水环境，在合适的反应条件下，通过水的性质和反应物之间的相互作用，促使反应物发生结构变化从而制备出所需的产物。

1.2 水热法的优势•水热法无需使用有机溶剂，对环境友好。

•水热法能够在相对温和的条件下进行反应，节约能源。

•水热法有利于晶体的生长和形貌的控制。

二、镁铝水滑石的水热合成方法2.1 反应物的选择与配比镁铝水滑石的化学式为MgAl₂(SiO₄)₃·nH₂O，其中Mg和Al为金属离子，SiO₄为四面体结构的硅酸根离子。

水热合成镁铝水滑石的基本反应为：Mg²⁺ + Al³⁺ + 3SiO₄²⁻ + nH₂O →MgAl₂(SiO₄)₃·nH₂O2.2 反应条件的控制水热合成反应需要控制适当的温度、压力和反应时间，这些条件对产物的晶体结构和形貌具有重要影响。

•温度：合适的反应温度可促进晶体生长和结晶度的提高。

一般情况下，温度范围为100-200°C。

•压力：一定的压力可使反应物更好地溶解，促进反应进行。

•反应时间：反应时间的控制也是获得高纯度产物的关键。

通常情况下，反应时间为数小时至数天。

2.3 反应装置的选择水热合成反应可以使用不同的反应容器，常见的有烧杯、高压釜等。

选择合适的反应容器可以提高产物收率和结晶度。

三、镁铝水滑石的表征方法3.1 X射线衍射分析（XRD）X射线衍射是一种常见的无机材料结构表征方法。

通过测量样品受到X射线的散射情况，获得样品的晶体结构信息。

3.2 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种高分辨率的表面形貌观察方法。

利用电子束照射样品表面，观察样品的形貌和表面特征。

3.3 热重分析（TG）热重分析是一种测量样品质量随温度变化的方法。

共沉淀法共沉淀法是最常用的合成类水滑石化合物的方法。

此法是以可溶性金属离子盐溶液与碱溶液反应生成沉淀物，晶化后过滤、洗涤、干燥后制得。

金属离子盐主要采用含M2 +、M3 + 的硝酸盐、硫酸盐、氯化物等可溶性盐; 碱溶液可用氢氧化钾、氢氧化钠、氨水、碳酸钠、碳酸钾、尿素等。

反应过程必须在过饱和状态下进行。

例如王龙等用0． 2 mol Mg ( NO3) 2·6H2O 和0． 05 mol Al( NO3) 3·9H2O 配成盐溶液，以NaOH 和Na2CO3配成碱溶液，将两溶液以1 滴/s 速度滴加至烧杯中，恒温40 ℃，pH 值保持在9 ～ 10 之间，滴加完毕后搅拌1 h，于60 ℃晶化12 h 抽滤后洗涤至中性，将沉淀烘干得到Mg /Al 水滑石。

该合成方法的关键在于调节溶液的pH 值，pH 值是根据水滑石类化合物中低价金属和高价金属的氢氧化物的溶度积常数确定的。

共沉淀法具有以下优点: ①此方法可以在常温常压下进行; ②几乎所有的M2 +、M3 + 都可以用此方法制备相应的LDHs，并且产物中的M2 + /M3 + 值和初始加入盐的比例相同; ③通过选择不同种类的盐可以得到层间不同阴离子的LDHs水热合成法水热合成法是指在密闭的压力容器中，温度为100 ～ 1 000 ℃、压力为1 MPa ～1 GPa 条件下利用水溶液中物质溶解或反应生成该物质的溶解产物并达到过饱和态而结晶生长的方法。

用共沉淀法制备LDHs，由于沉淀粒子是渐次产生，从第一个粒子的形成到最后一个粒子的产生，其时间相差很大，必然导致粒子大小不均。

为了最大限度的保证水滑石的生长环境一致，Ts Stanimirova提出水热法来合成LDHs。

它是将M2 +、M3 + 盐的混合液和沉淀剂快速混合成核，把得到的浆液迅速放入高压釜中，将高压釜放入烘箱中，在一定温度下晶化一段时间后，经过滤、洗涤、干燥得到LDHs。

该方法可使水滑石的成核与晶化过程分开，使其更好的结晶，并可以通过对晶化温度和晶化时间的调节，有效控制晶相结构及晶粒尺寸，大大缩短了水滑石的合成时间。

类水滑石材料制备及其应用目录目录 (1)1 水滑石的结构及性质 (2)2 水滑石的制备方法[2] (3)2.1水热法 (3)2.2沉淀法 (3)2.3诱导水解法 (3)2.4热处理的重新水合法 (4)2.5离子交换法 (4)2.6焙烧还原法 (4)2.7溶胶-凝胶法 (4)3 水滑石的研究进展及其应用 (5)3.1HTLc的制备、结构解析及合成机理方面 (5)3.2LDHs 及HTLc 的吸附性能及吸附机理的研究 (5)3.3利用LDHs 及HTLc 制备功能复合材料方面 (5)3.4LDHs 及HTLc 在催化研究领域方面 (6)3.5LDHs 及HTLc 的片层剥离研究方面 (6)3.6LDHs 及HTLc 的生物制剂研究方面 (7)3.7LDHs 及HTLc 的紫外阻隔研究方面 (7)4 水滑石研究存在的问题 (7)参考文献 (9)1 水滑石的结构及性质水滑石类化合物又称层状的双金属氢氧化物(Layered Double Hydrotalcides, 简称LDHs或HTLc)，天然存在的水滑石只有镁铝水滑石，其他均为类水滑石，是一类阴离子插层的层状无机功能材料。

层状双金属氢氧化物(LDHs)具有二维层板状结构。

水滑石类化合物的化学组成通式为[M2+(1-x)M3+x(OH)2]x-[A n-]x/n•2H2O，其中M2+为二价金属阳离子(如Mg2+, Zn2+,Cu2+, Ni2+等), M3+为三价金属阳离子(如Al3+, Fe3+, Cr3+,Ga3+等)，且占据了水镁石（Mg(OH)2）层板的八面体孔，其中，x=M3+/(M2++M3+)，A n-为层间的阴离子或阴离子基团。

层间组成：阴离子；保证了LDHs 的电荷守恒。

由于LDHs 层板阳离子排列的均匀有序性，通过煅烧后的LDHs 经过还原，可以得到高分散的负载型金属催化剂[1]。

水滑石类化合物的特殊结构使其具有特殊的性能：1)层板化学组成的可调控性：层状化合物的片层能够应用于纳米复合材料或者成为无机或有机纳米材料的构件，可以通过重新排列或组装，形成新的纳米复合材料、多分子纳米膜等结构。

水热法制备棒状水滑石第25卷第12期2008年12月精细化工F I NE CHE M I CAL SVol.25,No.12Dec.2008功能材料水热法制备棒状水滑石3黄智,廖其龙3,王素娟(西南科技大学材料科学与工程学院,四川绵阳621010)摘要:用常规方法制备的水滑石(简称LDH)为六角片状结构。

通过130℃水热晶化制备了长径比在10～40、分散性良好、相组成均一和高结晶度的棒状LDH颗粒。

其棒状结构包括圆柱形、四角柱形及管状,圆柱和四角柱的直径均在1μm左右,长度在10～40μm。

圆柱和四角柱的表面光滑,分散性良好。

这主要是由于高温高压的环境打破了常规晶化的热力学平衡,改变了晶体的生长条件。

该制备方法简单易行,所得的棒状LDH在塑料添加剂、阻燃剂、农药控释和油田开发等领域有重要应用价值,对LDH的形貌控制也提供了有益启示。

关键词:水滑石;棒状;水热法;功能材料中图分类号:O643 文献标识码:A 文章编号:1003-5214(2008)12-1168-04Prepara ti on of Rod2like Hydrot a lc ite by Hydrotherma l M ethodHUANG Zhi,L IAO Q i2l ong3,WANG Su2juan(School of M aterial Science and Engineering,Southw est U niversity of Science and Technology,M ianyang621010, S ichuan,China)Abstract:Layered double hydr oxides(LDH)synthesized by conventi onal methods has usually hexagonal p latelet mor phol ogy.I n this paper,the r od2like LDH,about10～40in rati o of lengtht o dia meter,well dis persed with unif or m phase compositi on and high crystallinity,was p repared using hydr other mal crystallizati on method.The m icr ostructures of r od2like LDH are columnif or m,quadrangular and tubular.The dia meter of columnif or m and quadrangular column is about1μm and the length is10～40μm.The surface is s mooth and the dis persi on is very well.A ll this may be contributed t o the hydr other mal crystallizati on method which under high temperature and high p ressure breaks down the ther modyna m ic balance and changes the crystal gr owth conditi ons of the conventi onal methods.This method is si m p le and ap t.The p r oduct of r od2like LDH has significant app licati on value in the fields of additives of p lastic,fla me retardants,contr olled2release of pesticide,oil field exp l oitati on,etc.This research als o p r ovides beneficial revelati on about mor phol ogy contr ol of LDH.Key words:hydr otalcite;r od2like;hydr other mal method;functi onal materialsFounda ti on ite m s:Support by the nati onal natural science foundati on of China(10476024)and doct or foundati on of Southwest University of Science and Technol ogy(07ZXD109) 层状双金属氢氧化物(Layered double hydr oxide,简称LDH)[1],即阴离子黏土其通式为:[M2+1-x M3+x(OH)2]x+A n-x/nm H2O。

作者简介：杨小丽(1982-)，女，天津大学硕士研究生，主要从事新型功能材料的制备及其催化性能研究。

*通讯联系人类水滑石化合物（HTLcs ）是一种具有层状微观结构和层状双羟基结构的阴离子粘土。

人们把自然界中存在的镁、铝的羟基碳酸化合物称为水滑石，理想的水滑石组成为Mg 6Al 2(OH)16CO 3·4H 2O 。

由于水滑石中的金属阳离子Mg 2+、Al 3+可被同价离子同晶取代，层间的阴离子CO 32-可被一些简单的无机阴离子、体积较大的同多和杂多金属含氧酸盐取代、以及不同体积的有机阴离子取代而得到类水滑石化合物，类水滑石的化学组成为[M 1-x 2+Mx 3+(OH)2]Ax/nn -·mH 2O ，其中M 2+，M 3+分别代表二价和三价金属阳离子，下标x 指金属元素含量的变化。

实验表明：纯净相只存在于0.2≤x ≤0.3，其中An-代表层间可交换的阴离子[1]。

水滑石具有水镁石Mg(OH)2型的正八面体结构，可以看作是水镁石M g (OH)2层中的M 2+部分地被M 3+取代，形成的M 3+/M 2+(OH)6复合氢氧化物八面体，这些八面体是通过边与边共用OH 形成层，层与层间相互叠加，层间以氢键缔合形成的，另外正八面体层与层之间叠加的部分以斜六方体和六边形的方式排列。

由于M 2+部分被M 3+取代，导致羟基层上正电荷的过剩，这些正电荷被位于层间的An-中和，An-与层板以静电力及层间H 2O 或者层上的-OH ，氢键OH-An--OH 或OH-H 2O-An--OH 的方式结合起来，使HTLcs 结构保持电中性。

除了上述具有代表性的水滑石之外，Li-Al 水滑石[Li1/3+Al2/3(OH)2][An-1/3n ·mH 2O]也有相关的报道[2]，在这类水滑石中，占居主层位置的是一价和三价金属离子，Li +占居了Al (OH)3八面体的空位。

但是Li-Al 类水滑石有六边形的对称结构。

类水滑石材料制备及其应用目录目录 (1)1 水滑石的结构及性质 (2)2 水滑石的制备方法[2] (3)2.1水热法 (3)2.2沉淀法 (3)2.3诱导水解法 (3)2.4热处理的重新水合法 (4)2.5离子交换法 (4)2.6焙烧还原法 (4)2.7溶胶-凝胶法 (4)3 水滑石的研究进展及其应用 (5)3.1HTLc的制备、结构解析及合成机理方面 (5)3.2LDHs 及HTLc 的吸附性能及吸附机理的研究 (5)3.3利用LDHs 及HTLc 制备功能复合材料方面 (5)3.4LDHs 及HTLc 在催化研究领域方面 (6)3.5LDHs 及HTLc 的片层剥离研究方面 (6)3.6LDHs 及HTLc 的生物制剂研究方面 (7)3.7LDHs 及HTLc 的紫外阻隔研究方面 (7)4 水滑石研究存在的问题 (7)参考文献 (9)1 水滑石的结构及性质水滑石类化合物又称层状的双金属氢氧化物(Layered Double Hydrotalcides, 简称LDHs或HTLc)，天然存在的水滑石只有镁铝水滑石，其他均为类水滑石，是一类阴离子插层的层状无机功能材料。

层状双金属氢氧化物(LDHs)具有二维层板状结构。

水滑石类化合物的化学组成通式为[M2+(1-x)M3+x(OH)2]x-[A n-]x/n•2H2O，其中M2+为二价金属阳离子(如Mg2+, Zn2+,Cu2+, Ni2+等), M3+为三价金属阳离子(如Al3+, Fe3+, Cr3+,Ga3+等)，且占据了水镁石（Mg(OH)2）层板的八面体孔，其中，x=M3+/(M2++M3+)，A n-为层间的阴离子或阴离子基团。

层间组成：阴离子；保证了LDHs 的电荷守恒。

由于LDHs 层板阳离子排列的均匀有序性，通过煅烧后的LDHs 经过还原，可以得到高分散的负载型金属催化剂[1]。

水滑石类化合物的特殊结构使其具有特殊的性能：1)层板化学组成的可调控性：层状化合物的片层能够应用于纳米复合材料或者成为无机或有机纳米材料的构件，可以通过重新排列或组装，形成新的纳米复合材料、多分子纳米膜等结构。