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百科|水滑石类层状化合物的制备方法


来源:中国粉体网   茜茜

[导读]  水滑石类化合物又称层状的双金属氢氧化物,是一类阴离子插层的层状无机功能材料。由于其具有特殊的层状结构和表面化学特性,从而使之具备碱性、层板上的阳离子可调配性、层板之间的阴离子可交换性、结构可恢复性及选择性吸附和催化等性能。因而在催化剂、离子交换与吸附、医药等领域具有巨大的应用潜力。

中国粉体网讯  水滑石类化合物又称层状的双金属氢氧化物,是一类阴离子插层的层状无机功能材料。由于其具有特殊的层状结构和表面化学特性,从而使之具备碱性、层板上的阳离子可调配性、层板之间的阴离子可交换性、结构可恢复性及选择性吸附和催化等性能。因而在催化剂、离子交换与吸附、医药等领域具有巨大的应用潜力。

 

水滑石类层状化合物的结构示意图和SEM照片


水滑石类层状化合物的制备方法


水滑石类层状化合物的制备方法主要有五种:共沉淀法、离子交换法、水热合成法、焙烧还原法和诱导水解法。


(1)共沉淀法


共沉淀法是人工合成类水滑石的最基本最常用的办法,通常是在一定的温度和pH条件下,将用于合成相应类水滑石的可溶性金属盐溶液混合,然后加入适量的沉淀剂使溶液中产生成分均一的胶状沉淀,将胶状沉淀经过晶化、洗涤、干燥后即为类水石是化合物。


共沉淀法制作类水滑石在常温常压下就能顺利进行,用常见的2价和3价金属离子制作类水滑石时几乎都能够运用共沉淀法制备。所选用的金属盐溶液可为硫酸盐、氯化物等,沉淀剂通常情况下可选用氢氧化钠溶液、氨水、碳酸钠等。


(2)离子交换法


离子交换法是利用类水滑石层间阴离子可以发生离子交换作用的性质,当带有较大的层间阴离子基团的类水滑石无法通过共沉淀法或其他方法直接合成时,可先用其他方法合成相应金属组成的类水滑石,再通过离子交换作用将类水滑石中原有的阴离子交换为所需的阴离子基团。控制好离子交换过程时的制备温度就可以对层间阴离子的数量和组成进行重组,同时原有类水滑石的结构还能保持不变。


该方法是制备非Cl-、CO32-、NO3-的具有较大阴离子基团柱支撑的类水滑石化合物的常用方法。一般情况下不能用交换能力低的阴离子去取代交换能力高的阴离子,在常见的无机阴离子中其可被交换的顺序为NO3-≥Cl->SO42->CO32-,一般来说阴离子半径越小交换能力越强。


(3)水热合成法


水热合成法是直接将需要合成类水滑石的金属氧化物直接与碱液相混合,并在100~1000℃、1MP~1GPa的条件下使金属氧化物的原子重排,从而合成所需的类水滑石化合物。由于水热合成法在制备过程中温度压力均为可控条件,因此制得的类水滑石晶粒完整、粒径分布均匀、杂质少、烧结活性好但此方法也具有能耗较高、对人员和设备要求较高的缺点。


(4)焙烧还原法


焙烧还原法的基本原理是利用类水滑石所特有的“记忆效应”使其在一定条件下重新还原。其具体操作是将已有的类水滑石通过热处理“破坏”其原有的层间阴离子结构,再将其投入到含有所需阴离子的溶液中,类水滑石将会因其“记忆效应”重新恢复为原有的结构并得到新的层间阴离子。该方法可以消除金属盐本身的无机阴离子对有机阴离子的竞争,且重新生成的类水滑石阴离子插入性好,稳定性也较原来有所增加。但是焙烧温度不好控制,温度过高或者过低都会使产物晶型纯度降低。


(5)诱导水解法


诱导水解法即在一定的温度和pH条件下,先制备3价金属阳离子的氧化物沉淀,然后在保持当前pH不变的条件下加入相同pH的2价金属离子盐溶液,使溶液充分混合的同时滴加碱液以保证pH不变,将反应所得的膏状物洗涤、过滤、干燥即为类水滑是化合物。


(6)溶胶凝胶法


溶胶—凝胶法是无机功能材料制备的最广泛的方法之一,其基本原理是:用金属无机盐或金属醇盐溶解于有机溶剂中均匀混合,从而进行水解、聚合反应,且在混合溶液中能够形成稳定的、透明溶胶,再使溶胶转化成凝胶,然后将凝胶烘干、通过焙烧可以去除有机成分,即可得到所需要的产物。


该方法的优点为:(1)工艺过程简单,产物组成容易控制,产物粒径小、均一性好、比表面积大、纯度高;(2)合成温度低,易于掺杂,反应条件易控制;(3)产物生产效率高,对制备设备的要求较低。因此广泛应用在制备水滑石纳米粉体方面。


(7)尿素分解均匀共沉淀法


尿素分解均匀共沉淀法利用尿素在低温下呈中性,可与金属粒子形成均一的溶液,而当溶液温度超过90℃时,尿素分解使溶液pH值均匀逐步地升高这一特点,用尿素代替混合碱溶液。


该方法的优点是溶液内部的pH值始终一致,因而可以合成出高结晶度的Mg-Al、Zn-Al、Ni-Al类水滑石,但是难以合成Co-Al、Mn-Al、Co-Cr类水滑石。


水滑石类层状化合物的应用


医药方面的应用


类水滑石化合物在用于应对胃酸过多引起的胃病如:十二指肠溃疡、胃溃疡、胃炎等常见疾病方面同样有着良好的效果。由于类水滑石化合物是碱性化合物,因此可以中和胃酸过多引起的此类疾病。通过中和反应调节胃液中的胃酸程度,作为抗胃酸药,药效显著且持久,作为新兴药物得到了广泛的研究。


作为稳定剂方面的应用


PVC是全球使用最广泛的材料之一,广泛应用于建筑业、农业、交通运输业等各个方面。但PVC研究仍存在些许不足。水滑石类层状化合物能够作为稳定剂,并在PVC方面有着很好的应用。水滑石类层状化合物具有碱性且无毒低烟的特点,能够吸收PVC中释放出的HCl,并能有效阻止PVC的进一步分解。


催化领域的应用


由于水滑石类化合物的层板之间具有可调控性,可以插入多种无机或有机阴离子,且金属离子均匀分布于层板上,煅烧后得到分散度高的金属复合氧化物,因此可以作为碱催化剂以及氧化还原催化剂,用于烯烃氧化聚合、亲和卤代、烷基化等化学反应。


作为阻燃剂的应用


经过表面处理的水滑石类层状化合物,具有阻燃、消烟等功能,水滑石可作为新型的阻燃剂,与单独的氢氧化铝或氢氧化镁相比,水滑石化合物在低温和高温部分都有分解,水滑石在受热时能够脱水吸收热量,阻止材料温度的进一步升高,起到阻燃的作用,并产生能够吸附气体和烟雾的金属混合氧化物。


作为紫外阻隔和红外吸收材料的应用


水滑石类层状化合物及类水滑石化合物具有层间离子可调控性,因此将对紫外线有吸收的有机材料插层到水滑石化合物层间,得到既能吸收又能产生屏蔽的材料,具有更大的应用前景。同样,若将水滑石的层间插入对红外有吸收的材料,也能得到更高性能的材料,目前此类材料主要应用于农业的保护膜,不仅能提高温度达到保温效果,也能起到防尘和抗静电等效果,提高了作物的产量。


作为新型杀菌材料的应用


由于水滑石类层状化合物及类水滑石化合物特殊的化学性质、组成和结构,能够对多种细菌的生长起到抑制的作用,根据这一性能,可将水滑石类化合物应用到建筑的涂料中,能够避免霉菌的生成,这种杀菌材料的优越性在于:具有好的分散性,能够分散于基质当中;也具有较好的耐光性能和透光率。


在环境保护方面的应用


汽油中的硫不仅是 SOX 的来源,而且还会影响机动车催化转换器的低温活性,导致易挥发有机化合物(VOCs)、NOX 和其他有害物质的逸出,所以控制汽油中的硫含量十分重要。LDHs 不仅可以有效地去除 SOX、NO 和 NO2等。


在水处理中的应用


由于 LDHs 的结构特点,它的焙烧产物在一定条件下可以重新吸收水和阴离子从而部分恢复为水滑石类层状化合物的层状结构,水滑石类层状化合物的这种独特结构记忆效应,在水处理中具有广泛的用途。


参考文献:

李旭.水滑石类层状化合物的制备、微分析及应用研究

崔小明.水滑石类层状化合物的生产及应用前景

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