水滑石类化合物结构表征方法

粉末X射线衍射(XRD)是最常用的表征方法之一。考察LDHs插层组装体的(003)衍射峰位置是否相对于层间为无机阴离子LDHs的(003)衍射峰位置向低衍射角度方向发生位移，通常是判断有机分子或离子是否插入层状主体层间形成超分子结构插层产物的有力证据之一。

红外(FT-IR)是检测LDHs插层组装体的层间阴离子，确定其超分子结构的重要方法之一。热重(TG)和差热分析(DTA)是表征LDHs插层组装体热稳定性的常用方法，以一定的升温速率，通过测量样品质量损失情况，来研究物质的成份和结构。如与质谱联用，通过分析LDHs插层组装体在热处理过程中所分解的气相产物可了解LDHs插层组装体的热分解机理。透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)通常用于表征水滑石的分布和分散性，可反映LDHs材料的形貌、粒径大小等信息。比表面分析(BET)粉体的比表面积是指单位质量粉体颗粒外部表面积和内部孔结构的表面积之和，单位m2/g，通过此方法可判断吸附性能

共沉淀法是制备LDHs的基本途径，可以一步组装得到LDHs插层物质。1942年，Feitknecht等首先用这种方法合成了LDH。该方法以构成LDHs层板的金属离子混合溶液在碱作用下同时隔绝CO2的条件下发生共沉淀，其中在金属离子混合溶液中或碱溶液中含有所要合成组成的阴离子基团，共沉淀物在一定条件下晶化即可得到目标LDHs。该法的优点是几乎满足离子半径条件的所有的M2+和M3+都可形成相应的LDHs，应用范围广;调整M2+和M3+的原料比例，可制得一系列不同M2+/M3+比的LDHs，所得LDHs品种多;可使不同功能的阴离子存在于层间，制备一系列层间阴离子不同的LDHs。

离子交换法是从给定的LDHs出发，将所需插入的阴离子与LDHs层间阴离子在一定条件下交换，一般是用层间为一价阴离子的LDHs作为交换前体，一价阴离子与欲插入的阴离子进行交换，组装出结构有序的超分子插层材料。这种方法插入的客体一般是具有较高电荷密度的二价或更高价态的阴离子，且反应时间较短，是合成一些特殊组成LDHs的重要方法。离子交换反应进行的程度与离子的交换能力、层的溶胀与溶胀剂、交换过程中的pH值以及层板电荷密度等因素有关。

水热合成法,不同于共沉淀法，此法是以含有构成LDHs层板金属离子难溶性的氧化物和氢氧化物为原料，与碱液一起混合，在高温高压下进行水热处理，由于在高温下，金属化合物或者氢氧化物的原子重新排列，从而得到LDHs。常用的氧化物或者氢氧化物为Al2O3、MgO、Al(OH)3、Mg(OH)2等。水热处理温度、压力、投料比等对LDHs的制备具有较大的影响。

酸碱双功能性:

LDHs的层板由镁氧八面体和铝氧八面体组成。所以，具有较强的碱性。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，表观碱性较小，其较强的碱性往往在其煅烧产物双金属氧化物(Layered Double Oxide，LDO)中表现出来。

层间离子的可交换性:

LDHs的结构特点使其层间阴离子可与各种阴离子进行交换一般而言，高价阴离子易于交换进入层间，而低价阴离子易于被交换出来。利用LDHs的这种性质可以调变层间阴离子的种类赋予水滑石不同的性质，合成不同类型的水滑石。

热稳定性:

水滑石的热分解过程包括脱层间水、脱羟基和新相生成等步骤。对于镁铝碳酸根来说，在空气中低于200 ?C时，仅失去层间的水分，而对其结构没有影响;当加热到250~450 ?C时，层间水分失去的同时有CO2生成;加热到450 ~500 ?C后，脱水比较完全，CO32–消失，完全转变成CO2，最后剩余物是Mg6Al2O8(OH)2。当加热温度不超过550 ~600 ?C，则这一分解过程是可逆的，在这一过程中仅表现为适当的表面积增加，孔体积增大以及形成了酸碱中心。当加热温度超过了600 ?C时，则分解后形成的金属氧化物的混合物开始烧结，从而使表面积降低，孔体积减小，同时形成尖晶石MgAl2O4。

记忆效应:

所谓记忆效应是指在一定条件下，将水滑石热分解所获得的氧化物在一定外界条件下，可使之恢复到起始物质状态。但是，记忆效应与热分解的温度有关，当温度过高时，分解产物无法恢复至水滑石的结构。同时，此种恢复不是百分之百的恢复，且在恢复过程中，其结晶度会有所降低。

LDHs是由层间阴离子及带正电荷层板堆积而成的化合物。LDHs的化学组成具有如下通式:[M2+1-xM3+x(OH)2]x+(An–)x/n?mH2O，其中M2+和M3+分别为位于主体层板上的二价和三价金属阳离子，如Mg2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+、Cu2+、Co2+、Pd2+、Fe2+等二价阳离子和Al3+、Cr3+、Co3+、Fe3+等三价阳离子均可以形成水滑石;An–为层间阴离子，可以包括无机阴离子，有机阴离子，配合物阴离子、同多和杂多阴离子;x为M3+/(M2++M3+)的摩尔比值，通常是0.2到0.33;m为层间水分子的个数。其结构类似于水镁石Mg(OH)2，由MO6八面体共用棱边而形成主体层板。位于层板上的二价金属阳离子M2+可以在一定的比例范围内被离子半价相近的三价金属阳离子M3+同晶取代，使得层板带正电荷，层间存在可以交换的的阴离子与层板上的正电荷平衡，使得LDHs的整体结构呈电中性。此外，通常情况下在LDHs层板之间尚存在着一些客体水分子。

新型杀菌材料:LDHs特殊的化学组成，使其对多种微生物和菌类的生长有显著的抑制作用，用于塑料、农膜可防止表面蛰生物的形成，用于建筑涂料可避免生成霉菌。与ZnO、Fe2O3以及含银盐的杀菌材料相比，LDHs具有如下优点:有效杀菌成分高度分散，杀菌效率高;在合成材料中分散性好，力学性能优异;耐光和耐候性好，不易脱色。将水滑石类化合物添加到牙膏、牙刷、假牙等口腔用品或材料中，还可以有效抑制口腔细菌。

紫外阻隔材料:紫外线辐射带来的各种危害已经引起人们的广泛关注，各种抗紫外线材料的研制成为国内外的研究热点之一。ZnAl-LDHs焙烧产物LDO具有良好的紫外阻隔性能。在250~365 nm范围内，ZnAl-LDO紫外透过率明显低于MgAl-LDO，说明前者具有良好的紫外阻隔性能。随着LDHs前体Zn/Al摩尔比的提高，ZnAl-LDO紫外透过率相应降低，表明Zn/Al摩尔比提高，ZnAl-LDO紫外阻隔性能增强。

阻燃剂:经插层组装可使LDHs的层间具有丰富的阻燃性物种CO32-和结晶水，在受热燃烧时，释放阻燃性气体CO2起到隔绝氧气和降低材料表面温度的作用。同时LDHs在表面形成凝聚相，阻止燃烧面扩展。LDHs受热分解后，借助纳米尺寸在材料内部形成高分散的大比表面固体碱，对燃烧氧化产生的酸性气体具有极强的吸附作用，从而起到优异的抑烟作用。LDHs作为阻燃剂加入聚氯乙烯(PVC)中具有明显的阻燃和抑烟效果，较小的添加量就可在不降低材料氧指数(LOI)的同时，使抑烟效果显著提高。

分离与吸附材料:LDHs具有阴离子交换性能，因此可作为阴离子交换剂，LDHs应用于环境友好化学中是当前研究的热点它可以吸附多种有害气体

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CO32- , NO3-, Cl - , OH- ,SO42-, PO43- , 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]。 当x 值在0.2-0.33 之间,即MⅡ/MⅢ摩尔比介于2~4之间时能得到结构完整的LDHs。在LDHs晶体结构中,由于受晶格能最低效应及其晶格定位效应的影响,使得金属离子在层板上以一定方式均匀分布,即在层板上每一个微小的结构单元中,其化学组成不变。