层状复合金属氢氧化物：主客体结构进展解释.pdfVIP

中国科学: 化学 2013年 第 43卷 第 9期: 1135 ~ 1148 SCIENTIA SINICA Chimica 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 评 述 自然科学基金项目进展专栏 层状复合金属氢氧化物: 主客体结构研究进展 闫东鹏, 陆军*, 段雪 北京化工大学, 化工资源有效利用国家重点实验室, 北京 100029 *通讯作者, E-mail: lujun@ 收稿日期: 2012-10-22; 接受日期: 2012-11-15; 网络版发表日期: 2013-01-28 doi: 10.1360/032012-463 摘要 近年来, 基于层状复合金属氢氧化物(layered double hydroxides, 简称LDHs) 的主客体插层化学在功能材料的构筑和应用方面得到了学术界和产业界的广泛关注. 本文从 LDHs 材料的层板主体及层间客体的结构、层间客体种类、层板堆积模式等 角度总结了 LDHs层状结构及主-客体、客-客体相互作用的必威体育精装版研究进展. 关键词 层状复合金属氢氧化物 有序结构 层间排列 量子阱 1 引言 层状复合金属氢氧化物(layered double hydro- xides, 简称 LDHs), 是一类典型的阴离子型层状化合物, 其主体层板由二元或多元金属氢氧化物构成, LDHs 的 典型代表是自然界存在的水滑石 (Hyd ro t a lc i t e , Mg2Al(OH)6(CO3)0.5·H2O), 其他二价与三价金属元素 也可形成与水滑石结构相同的化合物, 称为类水滑石 (Hydrotalcite-like compound), 其层间阴离子可进行离 子交换形成阴离子插层化合物, 简称插层水滑石[1]. 近年来, 由于其在催化[2]、选择性吸附与分离[3]、生 物/医药[4]、环境友好功能助剂[5]以及光、电、磁等功 能材料[6~8]领域具有重要的应用价值, 得到学术界和 产业界的广泛关注. 随着该类材料研究的不断深入, 一方面, 许多新的具有类水滑石结构的化合物被相 继发现或合成[9], 导致水滑石体系的结构呈现多样性 和复杂性. LDHs 化合物不容易得到单晶结构, 因此 其结构化学方面仍存在许多未解决或有争议的问 题[10], 例如, 层板阳离子的相对含量在什么范围内可 以得到纯相的 LDHs; 有机复杂阴离子在 LDHs 层间 具体的排列方式; 层板三价阳离子的长程有序性和短 程有序性; 层板结构的堆积方式等. 另一方面, 近些 年来发展的一些表征手段和先进技术, 如高强度同 步辐射 XRD 射线源、固体核磁共振谱学技术以及高 灵敏探测器的改进和提升有利于对 LDHs 材料的结 构进行深入研究. 同时, 软硬件的升级使得从理论计 算角度认识 LDHs 微观结构成为可能, 丰富了人们对 LDHs 结构的认知. 近年来, 对于 LDHs 材料功能及 其应用的综述性文献屡有出现[11~14], 然而对 LDHs层 板结构、层间结构、排列/堆积方式和相互作用力详 细的总结性评论却鲜有报道. 为了使本领域研究工 作者能够从微观角度对 LDHs 化合物结构有清晰的 认识, 从而更加有效地探讨 LDHs 结构与性能关系, 本文从 LDHs 的主体层板与层间客体分类、LDHs 的 层板有序/无序排列方式以及 LDHs 的三维方向堆积 模式等角度重点综述了近年来发展的 LDHs 层状及 插层材料的结构、键合作用以及不同结构可能产生的 功能效应, 并总结了 LDHs 层状结构及主-客体、客- 客体相互作用的必威体育精装版研究进展. 2 LDHs 的层板结构 2.1 水镁石阳离子取代型 天然的LDHs矿物-水滑石发现于 100多年前, 其 主体结构可看作是由 Al3+同晶取代水镁石(brucite, 闫东鹏等: 层状复合金属氢氧化物: 主客体结构研究进展 1136 Mg(OH)2)层板中的 Mg 2+, 同时阴离子进入氢氧化物 层间以平衡层板正电荷[15]. 例如, 最早确定的水滑石 晶体结构为[Mg6Al2(OH)16] CO3·4H2O (JCPDS 22- 700)[16]. 因此, 通常所说的 LDHs 结构为二元体系. 目前的研究发现, 其基本的化学组成可表示为[MⅡ1-x- MⅢx(OH)2] z+An?z/n·yH2O, 其中 MⅡ为二价金属离子, 如 Mg2+, Zn2+, Mn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Ca2+, Cd2+ 等; MⅢ为三价金属离子, 如 Al3+, Co3+, Fe3+, Mn3+