层状双金属氢氧化物(LDH)去除磷酸盐的性能研究

我国水体特别是湖泊的富营养化与氮磷营养盐的超标排放有关.如果集中式污水处理厂的除磷效果不理想,将易引发尾水总磷超标,因此对污水处理厂二级处理过程的效能挖潜是当下污水处理厂提标改造的重点.层状双金属氢氧化物(LDH)是新型纳米吸附剂,可实现水体中磷元素的高效去除.研究中采用共沉淀法制备Mg/Al层状双金属氢氧化物(Mg/Al-LDH)及其煅烧产物(Mg/Al-LDO),通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)和Zeta电位等方法表征其组成和微观形貌,借助吸附动力学和吸附等温线探究Mg/Al-LDH和Mg/Al-LDO对磷酸盐的吸附特点和作用机理.结果表明:①当磷酸盐的初始质量浓度为10 mg/L(以P计)时,Mg/Al-LDH和Mg/Al-LDO对磷酸盐的吸附在2 h内快速增加并完成90%的吸附率,且它们的拟二级动力学模型(R^(2)值均大于0.999)比拟一级动力学模型能更好地模拟磷酸盐吸附过程,因而可以认为Mg/Al-LDH和Mg/Al-LDO的除磷过程主要通过化学吸附或化学键合来实现.②由于Mg/Al-LDH和Mg/Al-LDO的等温吸附数据更符合Langmuir等温吸附模型(R^(2)值均大于0.994),说明溶液中的磷酸根应以单分子层方式吸附在Mg/Al-LDH或Mg/Al-LDO上,它们在298 K下的最大饱和吸附量分别为84.5和122.7 mg/g.③Mg/Al-LDO在pH为3.0~11.0范围内具有的界面正电性,以及吸附磷酸盐后部分恢复原有层状结构的能力,使得Mg/Al-LDO在宽pH范围内具有比Mg/Al-LDH更强的脱磷能力.研究显示,Mg/Al-LDH和Mg/Al-LDO可实现含磷水样的高效快速去除,从而为今后市政污水处理技术的革新提供新思路.

赤泥基层状双金属氢氧化物合成工艺及应用

赤泥是铝土矿炼制氧化铝过程中产生的高碱性废料,随着铝工业的高速发展,世界范围内赤泥年排放量已严重超过环境负荷,造成了巨大的处置压力和污染风险,赤泥的高效资源化利用迫在眉睫。由赤泥制备层状双金属氢氧化物(LDH)是当前国内外重点关注的一个循环路径,具有大规模工业化潜力。文章论述了赤泥基LDH合成工艺及应用研究进展,发现其主要的合成工艺有共沉淀法、煅烧水化法和机械化学合成法,合成的赤泥基LDH类型受铝土矿成分及冶炼工艺影响显著。赤泥基LDH通常被用作吸附剂去除水体无机阴离子及捕获CO_(2),同时也是一种新型环保型无卤阻燃添加剂。赤泥基LDH还是一种优异的光催化剂,赤泥中杂质(Fe_(2)O_(3))的引入导致局部构筑异质结构,有利于光敏电子和空穴物种的分离与传递。最后文章提出如下展望:(1)在双碳目标背景下,赤泥基LDH的制备符合“循环经济”等可持续发展目标,具有实际的大规模应用潜力,未来应大力推进合成及应用方面的研究;(2)未来应重点研究如何进一步优化合成工艺,提高产率,增强可持续性(如引入其他废弃物作为二价金属源),提高合成专一性,以及如何降低赤泥基LDH在应用过程中的环境风险;(3)明晰LDH结构与应用效果的“构效关系”,针对赤泥基LDH非纯净体系这一特性,扬长避短,发挥异质结构的优势,实现更高效的应用。

锂铝层状双金属氢氧化物的制备及其锂脱嵌过程

锂铝层状双金属氢氧化物(Li/Al-LDHs)是一种适用于高镁锂比卤水中提锂的吸附剂,但其存在吸附容量偏低、吸附机理与适用条件不够清晰等问题。本工作以铝粉、氢氧化锂为原料制备Li/Al-LDHs,考察了适用条件下溶液中阴阳离子对吸附过程的影响并进行了不同溶液组成下的提锂性能测试,结合红外光谱测试和X射线光电子能谱等表征明晰了锂脱嵌机理。结果表明,Li/Al-LDHs在卤水中的最大吸附容量为8.350mg/g,阳离子选择性顺序为Li^(+)>Na^(+)>Mg^(2+)>Ca^(2+)>K^(+)。Li/Al-LDHs对Li^(+)的吸附符合Langmuir等温吸附模型和准二级吸附动力学模型,吸附过程主要是基于尺寸筛分效应进行的,Li^(+)进入吸附剂层间的空位后需要等量的阴离子(Cl^(-)、SO_(4)^(2-)等)进行电荷平衡,其吸锂容量随溶液体系总离子浓度的增加而变大,因此更适用于从高含盐量卤水中提锂。研究结果可为后续废旧金属铝制取Li/Al-LDHs用于盐湖卤水提锂提供技术参考。

钴镍双金属氢氧化物/石墨烯电控分离膜排异性回收废水中低浓度磷酸盐

采用滴涂结合电化学沉积两步法制备了一种具有优良电活性的三维花状钴镍双金属氢氧化物/石墨烯(CoNi-LDH/G)杂化膜,用于电控离子交换过程(electrically switched ion exchange,ESIX)吸附水溶液中低浓度的磷酸根(PO_(4)^(3-))离子。结合X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等对CoNi-LDH/G杂化膜进行形貌、组成及结构表征。采用电化学方法考察了该杂化膜在不同吸附电压、不同初始浓度、共存离子及不同pH值条件下对PO_(4)^(3-)吸附性能的影响。实验结果表明:通过调节氧化还原电位,即使在低浓度下,杂化膜对PO_(4)^(3-)也具有良好的吸附性能,且可以在较宽的pH值(4~10)范围内使用,同时受共存离子及其浓度变化影响甚小。此外,G对PO_(4)^(3-)的吸附容量为1.10 mg·g^(-1),CoNi-LDH对PO_(4)^(3-)的吸附容量为11.74 mg·g^(-1),二者吸附容量之和小于CoNi-LDH/G对PO_(4)^(3-)的吸附容量(16.25 mg·g^(-1))。同时,结合O1s的XPS数据分析发现,CoNi-LDH/G杂化膜对PO_(4)^(3-)的吸附过程除了层间阴离子交换、PO_(4)^(3-)与层板金属离子配位的配体交换外,还存在G与CoNi-LDH之间的协同效应。

多孔镍钴层状双金属氢氧化物阵列的制备及其电容性能

通过一步水热的方法在泡沫镍(NF)基底上生长了镍钴层状双金属氢氧化物(NiCo-LDHs)阵列。研究了Ni和Co的物质的量比对其晶相结构、形貌和电容性能的影响。在n(Ni)∶n(Co)=2∶2时获得高电容量和高循环稳定性的Ni_(2)Co_(2)-LDH有序致密的多孔纳米针阵列。在电流密度1 A·g^(-1)时,比电容高达2381 F·g^(-1);在电流密度10 A·g^(-1)时,电容率保持率为57.1%;4500次充放电循环后电容率保持高达60%。最后,以Ni_(2)Co_(2)-LDH@NF为正极,以活性炭为负极构建了非对称电容器。在电流密度为1 A·g^(-1)时,该非对称电容器的比容量为211.4 F·g^(-1)。在电流密度5 A·g^(-1)时,5000次充放电循环后电容保持率高达90%。在11.6 kW·kg^(-1)的功率密度下拥有73.1 Wh·kg^(-1)的能量密度。

镍钴金属醇盐自模板衍生三元金属氢氧化物纳米片的制备及电化学性能研究

层状结构的过渡金属氢氧化物(TMHs)以其丰富的法拉第氧化还原反应、多重离子价态、可调组分和高理论容量等优势,使其在超级电容器领域中受到广泛青睐。利用乙酸锌[Zn(CH_(3)COO)_(2)·2H_(2)O]水溶液诱导镍钴金属醇盐微球(NiCo-GSs)一步水解得到三元过渡金属离氢氧化物(NiCoZn-OH)纳米片电极材料,探究了乙酸锌用量对目标电极材料形貌、结构以及电化学性能的影响。结果表明:在NiCo-GSs水解过程中,Zn^(2+)离子进入氢氧化物主层结构,而CH_(3)COO-离子则嵌入层间,扩大了层间距。Zn(CH_(3)COO)_(2)·2H_(2)O用量为10mg时,所制NiCoZn-OH-10显示出典型的二维片层结构特点,其比表面积和孔体积分别高达175.9m^(2)/g和0.67cm^(3)/g。在三电极体系中,NiCoZn-OH纳米片在1A/g的电流密度下表现出760C/g的比容量,且在30A/g的电流密度下,依旧显示出优异的84.8%容量保持率;在10A/g电流密度的条件下循环充放电3000次后,NiCoZn-OH-10的比容量还可以达到初始值的89.95%,表明其具有优异的循环稳定性。

层状双金属氢氧化物活化过硫酸盐在水处理中的应用

基于硫酸根自由基的高级氧化技术(SR-AOPs)具有宽pH耐受性、强氧化性以及方便操作性等优势而受到关注。层状双金属氢氧化物(LDHs)因其独特的层状结构优势、层板组成可调控性、结构记忆效应和阴离子可交换性等特性,在活化过硫酸盐方面表现出良好的活性和催化优势。本论文重点综述了LDHs及其复合材料作为非均相催化剂活化过硫酸盐在水污染处理领域的应用现状,最后,对LDHs催化体系持续改进以及未来研究方向进行了展望。

Co_(9)S_(8)金属氢氧化物(LDHs)纳米笼的构筑及其锂硫电池应用研究

锂硫(Li-S)电池是一种新型二次电池,具有极高的理论比能量(2600 Wh/kg),被认为是最具前景的下一代储能电池。锂硫电池正极使用硫作为活性材料,比容量高达1675 mAh/g,是目前商业化锂离子电池正极材料磷酸铁锂(170 mAh/g)和钴酸锂(274 mAh/g)的3至5倍。此外,硫是地球上储量最丰富的元素之一,且成本低廉,环保无毒。然而,锂硫电池的商业化受制于硫及其放电产物多硫化锂的电子绝缘性、可溶性多硫化物在正负极的穿梭、充放电过程中硫的体积膨胀等问题。针对硫正极材料所存在的问题,本文从储硫、固硫、限硫的三重设计出发,通过在ZIF-67模板上原位生长制备了一种NiCo-LDH/Co_(9)S_(8)中空纳米笼结构的正极材料,实现活性硫的高容量负载。电化学测试表明,NiCo-LDH/Co_(9)S_(8)与硫复合实现了79 wt%的高硫负载量,LDH/Co_(9)S_(8)异质结纳米笼结构及双功能位点,能够使S@LDH/Co_(9)S_(8)电极实现长循环寿命,在1 C电流密度下,循环充放电685次,比容量衰减率仅为0.014%,且库伦效率稳定在95%以上。

用超声衰减谱测量层状双金属氢氧化物粒度分布的方法

层状双金属氢氧化物(LDHs)作为一种性能优良的非贵金属电催化剂,在提高析氧反应速率、降低制氢成本等方面具备巨大优势,其粒度大小直接影响催化活性位点的有效暴露面积和本征结构,很大程度上决定了LDHs电催化析氧反应的活性时间和催化效率.因此,实现对LDHs粒度分布的在线检测对LDHs的合成控制与活性提升具有重要意义.根据LDHs粒度小、形貌特殊的特点,本文建立了一种基于超声衰减谱在线测量其在悬浮体系中粒度分布(PSD)的方法,该方法在LDHs粒度表征领域的应用尚属首次.利用超声衰减谱法对LDHs悬浮体系粒度分布进行测量的最大难点是传统ECAH模型需要首先已知难以获得的体系分散相和连续相的物性参数.本文采用主成分分析(PCA)结合误差反向传播(BP)神经网络建立了预测模型,并引入遗传算法(GA)对模型进行优化,解决了超声衰减谱法的难点,通过CoFeAl-LDH悬浮体系进行了验证.结果表明,PCA-GA-BP神经网络能有效对LDHs在悬浮体系中的粒度分布进行在线预测,预测值与真实值的峰形重合度高,峰高偏差小,两者的均方误差MSE为0.1497,模型拟合优度R2=0.9768,说明该方法可作为在线测量LDHs粒度分布的有效方式.

微球状CoCu双金属氢氧化物的合成及对抗坏血酸的检测性能

采用电沉积法在碳纸(CP)上沉积CoCu双金属氢氧化物(CoCu(OH)_(4)),运用循环伏安法和计时电流法探究了所合成CoCu(OH)_(4)/CP电极对抗坏血酸(AA)的电化学检测性能。其结果表明:在合成电势和合成时间为-0.3 V和300 s及钴离子与铜离子摩尔比为1:1的条件下制备了微球状CoCu(OH)_(4)/CP,所构建的电化学传感器对AA的线性检测范围为1μmol·L^(-1)~0.855 mmol·L^(-1),灵敏度为2866.19μA·L·mmol^(-1)·cm^(-2),最低检出限(LOD)为1.75μmol·L^(-1),且具有较好的重现性、重复性和抗干扰性。此外,该传感器可用于实际样品中AA含量的检测,其加标回收率为108.9%。

钴铜层状双金属氢氧化物合成及其催化还原对硝基苯酚性能的研究

开发高效催化材料降解硝基有机污染物,对于推动绿色化学和化工的发展具有重要的意义。为此,研究了水浴法合成的钴铜层状双金属氢氧化物(CuCo-LDHs)将对硝基苯酚(4-NP)催化还原为对氨基苯酚(4-AP)的反应过程;通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、电感耦合等离子体光谱仪(ICP),对材料的晶体结构、表面形貌等进行了表征;同时系统性研究了催化剂用量,4-NP的初始浓度、反应温度及硼氢化钠(NaBH4)浓度对CuCo-LDHs催化还原性能的影响。研究结果表明:CuCo-LDHs在催化还原4-NP的反应中表现出较高的催化活性,且反应条件温和,产物无污染。在室温及反应时间为3 min条件下,10 mg CuCo-LDHs可将100 mL 0.10 mmol/L的4-NP有效还原,转化率可达到95%。最后对CuCo-LDHs催化还原4-NP生成4-AP的反应机理进行了分析讨论。

层状双金属氢氧化物的改性及其在电解水中的研究进展

随着环境污染和能源危机的日益严重,寻找清洁、高效、可持续的能源已成为一个紧迫的问题。近年来,氢能作为一种高能量密度的绿色能源备受瞩目。电解水技术因具有操作简单、效率高、环境污染小等优点,成为最引人关注的大规模制氢的方法。然而,电解水技术面临反应过电位高和反应动力学缓慢的问题,降低电解水反应所需电压是实现高效制氢的关键。贵金属(如铂、铱、钌等)作为阴阳两极的基准催化剂,在电解水过程中表现出优异的催化性能,但其稀缺性和高成本严重阻碍了电解水的工业化发展。因此,开发高效、廉价且储量丰富的非贵金属基阴阳两极催化剂,对电解水技术的发展具有重要意义。层状双金属氢氧化物(LDH)是具有层状结构的新型无机功能材料,因其具有组成易调节、制备难度低、反应表面较大等优点,在电催化分解水中发挥了重要的作用。然而,LDH也存在稳定性差、层状结构易卷曲及电催化反应机理不清等问题。为解决上述问题,对LDH的层状结构和电解水的机理进行了总结,重点探讨了LDH的改性方法,包括元素掺杂、构建异质结构和杂化工程等,同时阐述了改性方法在电解水中的应用。最后,对电解水催化剂未来的发展方向进行了展望。

电沉积法制备Mn-Co-Fe三元金属氢氧化物电极及电化学性能测试

可持续的能源是社会和科学面临的重大挑战之一,储能装置在日常生活中起着至关重要的作用。利用电沉积法制备Mn-Co-Fe三元金属氢氧化物电极,探究影响电极性能的电沉积条件并测试其电化学性能。电沉积条件为20mV/s扫描80圈时所获得的电极电化学性能较好,电流密度为2 mA/cm^(2)时,面积比电容可达到1257 mF/cm^(2)。锰、钴、铁具有多种氧化态,可以实现丰富的氧化还原反应,三者具有良好的协同效应,有十分重要的科学研究价值。

层状双金属氢氧化物(LDHs)对SBS改性沥青抗老化性能的影响研究

为了增强SBS改性沥青(SMB)的抗老化性能,利用层状双金属氢氧化物(LDHs)的独特结构对SMB进行改性。研究了LDHs对SMB的物理性能、高低温流变性能和化学结构的影响规律。研究结果表明:LDHs的加入有助于提高SMB的弹性性能,提升SMB的高温稳定性能;老化后,沥青分子发生氧化反应导致SMB中含氧官能团(S=O和C=O)含量增加,同时SBS分子链发生断裂引起SMB中碳碳双键官能团(C=C)含量减少,这些变化使SMB的物理性能、高温抗车辙性能和低温抗疲劳开裂性能发生劣化,导致其变硬变脆;LDHs的加入可以阻止沥青分子的氧化反应和SBS分子链断裂,减缓沥青分子的老化和SBS老化降解,减轻老化对SMB物理性能和高低温流变性能的破坏,增强SMB的抗老化能力,为建设长寿命的SMB路面提供技术支持。

金属氢氧化物阻燃剂研究进展

比较了一些主要金属氢氧化物阻燃剂的性能。介绍了纳米金属氢氧化物阻燃剂的优点及阻燃机理。金属氢氧化物阻燃剂的复配及改性研究进展以及水滑石的阻燃效果及机理。

钴铁层状双金属氢氧化物的构筑及电催化分解水性能研究

由于与日俱增的能源污染以及不可再生化石燃料的大量消耗,探寻新的绿色清洁能源载体迫在眉睫。二维结构层状双金属氢氧化物在电催化分解水中表现出优异的电化学活性,但是导电性差、比表面小阻碍了性能的进一步提升。采用简便的水热法成功构筑了独特形貌的钴铁双金属层状氢氧化物(CoFe-LDHs),考察了催化剂电催化分解水性能。在1 mol/L KOH中,CoFe-LDHs-1∶1同时作为阴极和阳极在达到电流密度为10 mA/cm^(2)时仅需要施加1.62 V电压,在电催化分解水稳定性测试中也表现出卓越的催化稳定性,50 h的稳定性测试中没有出现明显的性能衰减。

铝/镁混合金属氢氧化物正电胶体粒子体系的触变性

采用恒定低剪切速率方法和动态实验方法研究了铝 /镁混合金属氢氧化物 (MMH)悬浮体的流变性 ,着重考察了剪切历史和恢复时间等因素对悬浮体触变性的影响 ,发现MMH粒子浓度的增加使得悬浮体从粘性流体变为“类固体” ;恒定低剪切速率方法和动态实验方法研究悬浮体的结构恢复过程给出了不同的结果 .唯象地解释了MMH悬浮体触变性产生的原因 ,认为触变性结构是由于粒子间的静电排斥作用而形成的 ,与粘土悬浮体相比 ,两者的流变性具有诸多相似之处 。

层状复合金属氢氧化物:结构、性质及其应用

本文评述层状复合金属氢氧化物(layered double hydroxides,LDH s)的化学及其应用。层状复合金属氢氧化物具有结合紧密的氢氧化物层和处于层间的阴离子,其比较突出的化学性质是可逆的阴离子交换和热分解性质。不过,因为受到氢氧化物层的局限,处于层间的阴离子表现出的特殊化学性质近年来也越来越受到重视。利用上述三个方面的性质,人们发掘了层状复合金属氢氧化物在材料(包括有机无机复合材料)制备、离子交换与有害阴离子脱除、异构体化学分离、化学反应控制、阻燃材料、活性分子储存与缓释、局部化学反应合成、催化剂及催化剂载体等方面的应用。

不同形态双金属氢氧化物颗粒水分散体系及其稳定的Pickering乳液

采用共沉淀法制备了3种形态的MgAl双金属氢氧化物颗粒的水分散体系,并以其为乳化剂制备了Pickering乳液.比较了3种颗粒的分散体系及其稳定的Pickering乳液的性质.X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)表征结果表明,低结晶度的颗粒以形状不规则、结构疏松、表面粗糙的絮状体形式分散于水中,且颗粒尺寸随高速搅拌分散时间的延长而减小;而良好结晶的颗粒以形状规则、结构致密、表面平滑的六角片存在于水中.Zeta电位测试表明,3种颗粒在水中均带正电荷,NaCl可降低颗粒的Zeta电位而使其发生絮凝,但良好结晶颗粒的分散体系在更高NaCl浓度时才出现明显沉淀.分别采用3种双金属氢氧化物颗粒/NaCl水分散体系制备了水包油(O/W)型Pickering乳液,并比较了乳液的稳定性.结果表明,NaCl的引入在一定程度上可提高3类乳液的稳定性;良好结晶颗粒稳定乳液的能力强于低结晶度的颗粒;对于低结晶度颗粒,大颗粒稳定乳液的能力比小颗粒更强.

层状双金属氢氧化物用于催化水氧化的研究进展

通过太阳能光解水制取能源(如氢气)是开发清洁能源的重要途径之一,而水分解的半反应——水氧化过程是整体水分解的重要环节与限速步。发展高效、稳定、易获取的水氧化催化剂是实现有效水分解的关键。层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides,LDHs)由于其独特的二维层状结构与灵活调变的化学组成,近年来作为水氧化反应催化剂受到研究者越来越多的关注。除用于电化学水氧化的催化剂外,LDHs在光(电)催化水氧化方面也表现出独特的优势。研究者正致力于LDHs基高效水氧化催化剂的研究,取得了很好的进展。主要综述了LDHs及其复合结构在催化水氧化方面的最新研究进展,以期为水氧化催化剂的结构设计与性能增强提供新的思路。