聚合物/层状双羟基氧化物纳米复合材料的研究进展

层状双羟基氧化物具有独特的结构优势、尺寸优势、性能优势,与高分子材料组装可得到聚合物/LDH纳米复合材料。重点阐述了聚合物/LDH纳米复合材料制备的最新研究进展,指出了聚合物/LDH纳米复合材料发展趋势。开发高性能的,具有特殊结构和性能的聚合物/LDH纳米复合材料,是今后的研究方向。

层状双羟基氢氧化物及其衍生物在锂硫电池中的应用

锂硫电池具有超高的理论能量密度、较低的材料成本,是极有前途的下一代储能体系。但硫导电性差、充放电过程中的穿梭效应、体积膨胀、负极锂枝晶等问题造成锂硫电池的比容量低、容量衰减严重、库仑效率差,影响了其实际应用。层状双羟基氢氧化物(LDHs)是一种二维材料,具有可调节的插层结构、可控的表面化学性质和独特的拓扑转换特性,作为储能材料受到了广泛的关注。LDHs对多硫化物具有良好的约束能力,作为锂硫电池正极硫载体可以高效吸附和催化充放电过程中产生的多硫化物,减少多硫化物的迁移,加快氧化还原反应动力学,从而提升锂硫电池的电化学性能。此外,二维LDHs可涂覆于隔膜作为正极与隔膜间的中间层,通过物理作用阻挡多硫化物向负极的迁移,抑制穿梭效应;LDHs用于锂负极可以促进金属锂的均匀成核和沉积。目前LDHs在锂硫电池中应用广泛,本文综述了LDH及其衍生物在锂硫电池中的应用优势,介绍了其在锂硫电池正极、中间层、负极中的应用现状,指出了LDHs材料在锂硫电池中的发展方向。

多元层状双羟基金属复合氧化物用作阻燃填料制备阻燃纸

以氯化镁(MgCl2.6H2O)、氯化铝(AlCl3.6H2O)、氯化锌(ZnCl2.6H2O)、氯化铁(FeCl3.6H2O)和碳酸钠(Na2CO3)为原料,采用共沉淀法制备了双羟基金属复合氧化物(LDHs,又称水滑石),包括二元Mg-Al-CO23--LDHs、三元Mg-Al-Zn-CO23--LDHs和四元Mg-Al-Zn-Fe-CO23--LDHs;将LDHs作为阻燃填料,用浆内添加法制备了一系列新型阻燃纸;通过红外光谱(FT-IR)、力学性能、燃烧性能等测试对LDHs和阻燃纸进行了表征。结果表明,采用多元LDHs作为阻燃填料所制备的阻燃纸,阻燃性能得到了明显改善,而且随着LDHs元素的增多,其阻燃性能更好。当三元Mg-Al-Zn-CO23--LDHs用量为30%时,阻燃纸可达到难燃级,氧指数达到25.3%。当四元Mg-Al-Zn-Fe-CO23--LDHs用量25%时,阻燃纸即可达到难燃级,氧指数高于25.0%;当四元-Al-Zn-Fe-CO23--LDHs用量30%时,阻燃纸的续燃时间为5 s,灼燃时间为30 s,炭化长度为95 mm,阻燃纸达到GB/T14656—2009的要求。

层状双羟基氢氧化物的结构表征及对PVC的热稳定作用

用 XRD、TEM和 TG方法对水滑石类镁铝层状双羟基氢氧化物 (LDH)进行了结构表征和热分解特性研究 ,用 TG、FT- IR方法研究了 LDH对 PVC的热稳定作用。结果表明 ,该种无机晶体材料具有层状结构 ,在 1 80℃煅烧 ,层状结构保持不变 ;在 5 0 0℃煅烧 ,转变为复合金属氧化物 (LDO)。LDH与有机锡共用 ,对 PVC产生协同稳定作用。分解反应的平均表观活化能为 1 1 7.3k J/ mol,热稳定机理可能来源于 LDH层间 CO2 -3 与 PVC分解放出

层状双羟基氢氧化物(LDH)的表面有机化研究

采用成核晶化隔离法合成MgAl CO32-型层状双羟基氢氧化物(LDH),并用不同偶联剂对其进行了表面有机化改性研究。通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)、X光电子能谱(XPS)、激光粒度分析和透射电镜(TEM)等手段探讨了偶联剂与LDH表面作用的原理。结果表明:硅烷偶联剂和铝钛复合偶联剂均可实现LDH的表面有机化,其中硅烷偶联剂AG 102的改性效果最好,而且用它改性的LDH在PVC中的团聚小,并具有较好的分散性,是一种理想的LDH表面改性剂。

层状双羟基复合金属氢氧化物/废胶粉改性沥青的性能及老化机理

以层状双羟基复合金属氢氧化物(LDHs)及废胶粉(CR)为改性剂,采用熔融共混法制备了LDHs/CR复合改性沥青。通过原子力显微镜、离析实验、旋转薄膜烘箱老化实验(RTFOT)、室内加速紫外老化试验及紫外可见分光光度计(UV-Vis)等实验方法,对复合改性沥青的性能进行了研究,并初步探讨了改性剂与沥青的相互作用机理。结果表明,LDHs的掺入使得废胶粉在沥青中分散得更均匀且胶粉颗粒的平均粒径更细小;相比于基质沥青,复合改性沥青的高低温性能得到很大的改善;随着LDHs掺量增加,LDHs/CR复合改性沥青的离析软化点差值由9.2℃减小到1.3℃,储存稳定性大幅提升;与废胶粉改性沥青相比,LDHs/CR复合改性沥青的抗老化性能(尤其是抗UV老化性能)得到明显改善。

层状前体法制铜基复合金属氧化物及结构研究

采用共沉淀法制备了层板含摩尔比1/1/1的铜锌铝碳酸根型类水滑石(CuZnAl-LDHs).通过XRD、FTIR、TEM、SEM-EDS、低温氮气吸-脱附实验、TPR及XPS等研究手段对LDHs及其在773K的焙烧产物的晶相组成、结构和表面化学状态进行了分析.结果表明,在其焙烧产物中均存在一定形式相互作用的含Cu、Zn和Al的复合金属氧化物,层状前体的结构特征决定了其焙烧产物的物化性能.在对焙烧产物的苯酚催化氧化性能的研究中发现,它们具有较强的催化活性,这与其表面催化活性中心Cu2+离子的化学状态和分布状态密切相关.

微弧氧化后Mg-8Li合金表面MgLiAlY-LDHs@GO膜层的生长及耐蚀性能

目的提高Mg-8Li合金的耐蚀性能。方法首先在Mg-8Li合金表面制备微弧氧化膜(MAO),然后使用原位水热法在微弧氧化膜表面原位生长掺杂氧化石墨烯(GO)的四元(MgLiAlY)层状双羟基金属氧化物(LDHs)智能自修复膜层。采用SEM、XRD、FT-IR、EDS、ICP等手段研究MgLiAlY-LDHs@GO膜层的形貌、结构以及成分。通过EIS、Tafel以及浸泡试验等研究膜层的耐蚀性能,分析膜层的腐蚀行为,阐释其耐蚀机理。结果GO的掺杂可以促使LDHs纳米片生长得更加致密,主体层板中具有缓蚀作用的Y3+可以提高涂层的耐蚀性,四元LDHs的生长所需要的Mg^(2+)、Li^(+)、Al^(3+)等离子来源于镁锂合金基体以及微弧氧化膜的溶解,其中Li+也可以促进LDHs纳米片生长得更为均匀细密。膜层的腐蚀电流密度为6.03×10^(–7)A/cm^(2),比MAO膜层降低了1个数量级,提高了镁锂合金的耐蚀性能。结论GO的负载使LDHs的耐蚀性能和膜层稳定性均有一定程度的提升,引入稀土元素Y会改变LDHs的骨架,造成晶格畸变,使得LDHs微观形貌呈现褶皱状,剩下部分以Y(OH)3形式存在于涂层表面,可进一步提高膜层的耐蚀性能和稳定性。

层状双羟基复合金属氧化物薄膜的研究进展

层状双羟基复合金属氧化物(layered double hydroxides,LDHs)薄膜已在膜催化、金属防腐蚀涂层及光、电、磁器件等方面展现出一定的应用前景.本文围绕近年来LDHs薄膜的研究工作,总结了LDHs薄膜的制备及应用方面的研究进展,并展望了LDHs薄膜今后可能的发展方向.

Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金不同微弧氧化表面MgAlLa层状双羟基金属氧化物复合涂层的性能研究

采用铝酸盐/硅酸盐体系(AS)、铝酸盐/磷酸盐体系(AP)、硅酸盐/磷酸盐体系(SP)和铝酸盐/磷酸盐/硅酸盐体系(APS)的微弧氧化电解液对Mg-Gd-Y-Zn-Mn合金进行微弧氧化(MAO),并在其表面再进行原位生长MgAlLa层状双羟基金属氧化物(MgAlLa-LDHs)得到复合涂层。研究了不同MAO涂层对MgAlLa-LDHs涂层性能的影响,表征了涂层的形貌、结构及成分,并评估了其耐腐蚀性能。结果表明,不同MAO涂层表面生长的MgAlLa-LDHs膜形貌和结构存在明显的差异。此外,APS电解液制备的复合涂层表现出优异的耐腐蚀性能,其腐蚀电流密度为9.14×10^(-9)A·cm^(-2),相较镁合金基体提升了约4个数量级。

聚吡咯改性层状黏土/聚己内酯抗菌纳米复合材料的制备与性能

利用Fe^3+引发吡咯(Py)在层状双羟基金属氧化物(LDHs)表面发生氧化反应,形成聚吡咯(PPy)包覆LDHs(LDHs@PPy);以LDHs@PPy和聚己内酯(PCL)为原料,采用溶液浇筑方法制备LDHs@PPy/PCL纳米复合薄膜.研究结果表明,LDHs@PPy对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均达到99.7%,其与基材PCL界面相容性良好,而且在基材中还具有异相成核作用.当LDHs@PPy的质量分数仅为1%时,LDHs@PPy/PCL纳米复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别增加35%和23%,氧气渗透性降低幅度达到56%,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均超过99.99%,表现出良好的抗菌活性,拓展了层状黏土/生物基高分子复合材料在活性包装领域的应用.

柱撑型钒基催化剂的制备及其丙烷氧化脱氢催化性能

以人工合成的3种不同层板组成的层状双羟基金属氢氧化物MgAl-CO3-LDHs、CoAl-CO3-LDHs和NiCrCO3-LDHs为载体,以偏钒酸钠NaVO3为柱撑剂和钒前体,采用离子交换法制备了钒柱撑的催化剂样品(MgAlVO、CoAlVO和NiCrVO),通过XRD、FTIR、XPS和Raman等手段表征了样品的物相、钒物种的存在形态以及钒的价态,以丙烷氧化脱氢制丙烯为模型反应,表征了所制备的催化剂样品的催化性能,着重探讨了LDHs载体的层板组成以及钒的含量对催化剂样品中的钒氧物种存在形态及其丙烷氧化脱氢催化性能的影响。结果表明:以20%理论含量的钒柱撑MgAl-CO3-LDHs所制备的催化剂样品20%MgAlVO对丙烷氧化脱氢反应的催化性能较好,当反应温度为560℃时,丙烯收率可以达到11.3%,Raman光谱显示该催化剂样品中的钒以Mg3V2O8和α-Mg2V2O7两种形式共存,且晶格氧O2-和吸附氧O-所占的比例较为均衡,有利于获得较好的丙烷氧化脱氢催化性能,而在同样条件下制备的催化剂样品20%CoAlVO和20%NiCrVO中的钒物种只观察到分别以Co3V2O8和Ni3V2O8存在的正钒酸盐,前者对丙烯的收率不到8%,后者甚至完全得不到丙烯。

利用分级结构层状黏土构建高阻隔性脂肪族聚酯复合材料

以MgAl-CO3 LDHs(P-LDHs)为原料,通过煅烧-水化法制备出较大比表面积的分级结构水滑石(H-LDHs),研究了不同的水化条件对H-LDHs微观形貌的影响;然后采用溶液浇筑法将H-LDHs与聚己内酯(PCL)共混制备出H-LDHs/PCL复合材料,研究了H-LDHs对H-LDHs/PCL复合材料结构和性能的影响。结果表明,在H-LDHs的表面出现了大量垂直排列的纳米片层,形成了多层次分级结构;H-LDHs的比表面积(146.6 m^2/g)达到了P-LDHs的3.67倍。氧气程序升温脱附结果表明,H-LDHs与氧气之间存在较强的化学吸附。H-LDHs改善了P-LDHs对PCL基材力学性能的恶化,这是由于H-LDHs表面垂直分布的大量纳米片层与PCL基材紧密结合,增加了H-LDHs与PCL基材的界面作用面积。相比于纯PCL,H-LDHs/PCL复合材料的氧气渗透性降低了43.6%,通过这种分级结构的层状黏土来延长平行于气体渗透方向的路径,从而较大幅度提高气体的阻隔性能,具有较好的研究价值和应用潜力。

双羟基金属氢氧化物负载的金催化剂的稳定性

以3种层板组成的层状双羟基金属氢氧化物（layered double hydroxides,LDHs）为载体,制备了负载型金催化剂样品（Au/MgAl-LDHs,Au/ZnAl-LDHs和Au/MgFe-LDHs）,借助X射线衍射、透射电子显微镜和光电子能谱,表征了金催化剂样品的物性,研究了催化剂样品在CO常温催化氧化反应中的活性及稳定性。结果显示,LDHs载体表面的金以金属态存在,其粒径1~5 nm,在常温下,金催化剂对CO的转化率达100%。另外,金催化剂在使用过程中失活的主要原因是载体晶体结构不稳定：晶体结构的坍塌使载体表面的纳米金颗粒被覆盖,导致表面金含量降低而失活。此外,LDHs的层状结构坍塌也削弱了载体与纳米金颗粒之间的相互作用,使得纳米金颗粒因迁移、聚集、长大而失活。催化剂的稳定性顺序由大到小依次为Au/MgAl-LDHs,Au/ZnAl-LDHs和Au/MgFe-LDHs,稳定性的差异与LDHs层板的电荷密度有关,电荷密度最大的MgAl-LDHs负载的金催化剂稳定性最高,连续使用69 h后,CO的常温转化率仍能保持100%。

纳米金催化剂Au/ZnAl-LDHs的制备及在CO常温氧化反应中的活性及稳定性

以人工合成的双羟基金属氢氧化物ZnAl-LDHs为载体,将预先制备的金溶胶通过静电吸附的方式负载到载体上,获得了纳米金催化剂Au/ZnAl-LDHs,用X射线粉末衍射（XRD）表征了催化剂的物相,用透射电镜（TEM）观察了纳米金颗粒的粒径分布,以CO的常温催化氧化为模型反应,分别考察了金溶胶制备过程中金前体HAuCl4·6H2O的浓度和还原剂THPC的用量、负载过程的pH值以及金的负载量等因素对金催化剂的活性和稳定性的影响。结果表明：在制备金溶胶的过程中,降低HAuCl4·6H2O的浓度并提高还原剂THPC的用量,可以制备出粒径分布处于1-7nm之间、平均粒径仅3.87nm的负载型纳米金颗粒,其对CO的常温转化率为100%,且其催化活性的稳定性明显提高;而在金溶胶的吸附负载过程中,使体系的pH值处于6-7的范围,有利于金溶胶在ZnAl-LDHs载体上的吸附负载,从而得到实际负载量更接近理论负载量的金催化剂样品,当金的实际负载量接近1%（质量分数）时,能够确保对CO的常温氧化转化率达到100%。

新型层状结构可见光催化剂的制备与性能研究

以合成层状双羟基金属氧化物(LDH)为掺杂手段,制备了Zn-Cr LDH、Zn-Ti LDH两种半导体光催化剂。XRD和SEM分析表明Zn-Cr LDH和Zn-Ti LDH具有层状结构,层间距分别为0.73 nm和0.69 nm。UV-vis分析表明Zn-Cr LDH在410 nm和560 nm分别有2个最大吸收峰,而Zn-Ti LDH无法吸收400 nm以上的可见光。在可见光(≥420 nm)照射与添加AgNO3作为电子受体的条件下,光分解水实验中,反应300 min后Zn-Cr LDH产氧量约为0.79 mL。在光降解亚甲基蓝(MB)中,MB在反应300 min后被完全降解。而Zn-Ti LDH在实验中不具备光催化活性。

聚合物/LDH纳米复合材料的制备及其在涂料中的应用

LDH(层状双羟基氧化物)具有独特的结构优势、尺寸优势、性能优势,与高分子材料组装可得到聚合物/LDH纳米复合材料。重点阐述了聚合物/LDH纳米复合材料制备的最新研究进展,指出了该类材料在涂料工业等方面的应用前景。

基于锥形量热仪研究聚丁二酸丁二醇酯膨胀阻燃体系的动态燃烧行为

以实验室自制的无机纳米粒子镁铝锌镧碳酸根型层状双羟基氧化物(Mg Al Zn La-CO3LDHs)为协效剂,以聚磷酸铵(APP)和三聚氰胺(MA)为复配膨胀阻燃剂(IFR),与聚丁二酸丁二醇酯(PBS)熔融共混制备了PBS膨胀阻燃体系;利用锥形量热仪在25 k W/m2的热辐射条件下,研究了Mg Al Zn La-CO3LDHs对PBS膨胀阻燃体系动态燃烧行为的影响。结果表明,Mg Al Zn La-CO3LDHs的加入不仅明显降低了PBS膨胀阻燃体系的热释放速率(HRR)、烟生成速率(SPR)、质量损失速率(MLR),而且CO的释放量也得到了很好的控制,提高了体系的火灾性能指数(FPI)。Mg Al Zn La-CO3LDHs明显抑制了PBS膨胀阻燃体系的动态燃烧行为,同时表现出与膨胀阻燃剂良好的协效作用。

MgAlZnFe-CO_3 LDHs对PBS膨胀阻燃体系性能的影响

采用恒定pH值共沉淀法在自制反应器中合成了不同原料配比的碳酸根型镁铝锌铁层状双羟基金属氧化物(MgAlZnFe-CO3LDHs),并通过熔融共混MgAlZnFe-CO3LDHs、聚磷酸铵(APP)、三聚氰胺(MA)和全降解材料聚丁二酸丁二醇酯(PBS)制备出PBS膨胀阻燃材料.采用傅里叶红外光谱(FTIR)、热失重(TG)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及元素分析(ICP)对MgAlZnFe-CO3LDHs进行了表征,并对PBS膨胀体系进行了力学性能和阻燃性能等测试.结果表明,当Mg2+,Zn2+,Al3+和Fe3+的摩尔比为9∶3∶3∶1时,合成的MgAlZnFe-CO3LDHs热稳定性最好,晶态结构规整,呈形貌规则的六边形片状;当MgAlZnFe-CO3LDHs的添加质量分数为1%时(阻燃剂的总添加质量分数为20%)时,PBS膨胀阻燃体系的极限氧指数(LOI)达到35%,垂直燃烧测试达到UL-94 V-0级别,力学性能得到较大改善.实验结果表明,低添加量的MgAlZnFe-CO3LDHs与膨胀阻燃剂(IFR)协效阻燃PBS,一方面能够改善膨胀阻燃剂恶化PBS力学性能的现象,另一方面协同效应能够明显提高PBS的阻燃性能.