二维材料LDH 中离子传输！

层状双金属氢氧化物（Layered Double Hydroxides，简称 LDH），又被称为类水滑石化合物，是一类具有独特层状结构的二维无机矿物材料。其化学通式为 [M²⁺₁₋ₓM³⁺ₓ(OH)₂]ˣ⁺(Aⁿ⁻)ₓₙ・mH₂O，其中 M²⁺和 M³⁺分别代表二价和三价金属阳离子，Aⁿ⁻为层间阴离子。LDH 的结构类似于水镁石 [Mg (OH)₂]，由带正电荷的金属氢氧化物层与层间阴离子通过静电作用、氢键等相互作用堆叠而成，形成独特的 “三明治” 型层状结构。层间阴离子可以在一定条件下进行交换，赋予 LDH 丰富的化学性质和功能特性。

LDH 在离子传输方面的特点

（一）独特的层状结构

LDH 的层状结构为离子传输提供了特定的通道。层间距离一般在 0.3 – 2.0 nm 之间，这个尺寸范围允许特定大小和电荷的离子进行可逆的插入和脱出，为离子的定向传输创造了物理空间条件。例如，当层间阴离子为碳酸根离子时，层间距相对较小，而通过阴离子交换引入较大尺寸的有机阴离子后，层间距会显著增大，从而改变离子传输的路径和效率。

（二）可调控的化学性质

通过改变 LDH 层板上的金属离子种类、比例以及层间阴离子的类型，可以精确调控其化学性质。不同的金属离子组合会影响层板的电荷密度，进而影响层间阴离子与层板的相互作用强度，以及离子传输的驱动力。同时，层间阴离子的种类和性质也会对离子的选择性传输产生重要影响，例如亲水性阴离子会使 LDH 更有利于亲水离子的传输，而疏水性阴离子则可能促进疏水离子的传输。

（三）高比表面积和吸附性能

LDH 具有较高的比表面积，通常在 50 – 200 m²/g 之间，较大的比表面积为离子的吸附和传输提供了丰富的活性位点。离子可以在层板表面和层间进行吸附和扩散，这种吸附 – 扩散过程在离子传输中起着重要作用。此外，LDH 对某些特定离子还具有选择性吸附能力，能够优先吸附和传输目标离子，提高离子传输的选择性和效率。

LDH 在离子传输领域的应用

（一）电化学储能领域

在超级电容器中，LDH 材料作为电极材料展现出优异的性能。其独特的层状结构和离子传输特性使得离子能够快速地在电极材料中进行嵌入和脱出，从而实现高功率密度和长循环寿命。例如，将钴铝 LDH 纳米片作为电极材料，通过合理设计其结构和优化制备工艺，可以显著提高超级电容器的比电容和能量密度。在锂离子电池中，LDH 可以作为负极材料或添加剂，利用其离子传输特性改善电池的充放电性能和循环稳定性。

（二）离子交换与分离领域

LDH 的层间阴离子可交换性使其成为理想的离子交换材料。在水处理中，LDH 能够去除水中的重金属离子、放射性核素以及有机污染物等。通过选择合适的层间阴离子和调控 LDH 的结构，可以实现对特定离子的高效选择性吸附和去除。例如，利用镁铁 LDH 去除水中的铅离子，通过将层间阴离子替换为对铅离子具有强亲和力的有机配体，能够显著提高对铅离子的吸附容量和去除效率。此外，在离子分离领域，LDH 还可用于分离不同价态或大小的离子，实现离子的富集和纯化。

（三）催化领域

在催化反应中，LDH 的离子传输特性对催化活性和选择性具有重要影响。离子在 LDH 层间的传输可以促进反应物分子与活性位点的接触和反应，同时调节反应的中间产物和最终产物的分布。例如，在酸碱催化反应中，LDH 层板上的金属离子和层间阴离子可以协同作用，提供合适的酸碱环境，促进反应的进行。在光催化领域，LDH 可以作为光催化剂或光催化剂载体，其离子传输特性有助于光生载流子的分离和传输，提高光催化效率，实现对有机污染物的降解和太阳能的转化利用。

例1：用于从废水中进行渗透发电的具有高选择性和高电导率的二维通道

文献聚焦于离子传输，发现二维蛭石通道在这方面有独特性能。该通道由蛭石纳米片构成，高度约 0.2nm。实验显示其Na⁺电导率高于本体溶液，即便Na⁺浓度变化，电导率优势依旧存在，这源于通道表面的高负电性。在离子选择性上，通过电感耦合等离子体质谱结合扩散透析实验可知，二维蛭石通道对Na⁺的选择性极高，对常见重金属离子如Mn²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺有很强的排斥能力，选择性分别达到 264、313 和 649，还能有效阻挡有机染料分子。借助第一性原理分子动力学模拟，揭示了离子传输机制，即通道的高负电性让Na⁺能自发快速进入，而重金属离子因水化壳难以摆脱，无法进入狭窄通道，这种极端的空间限制保证了高选择性。这些特性为从废水中收集渗透能提供了可能，在处理含重金属离子废水时，既实现高功率密度发电，又避免环境污染。

ACSNano2023,17,17245−17253 https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05149

例2：Nature communications具有仿生亚纳米通道的二维MXene膜用于增强阳离子筛分

文献聚焦于 MLM-EDTA 膜的离子传输特性。EDTA 修饰使膜的通道尺寸减小且稳定性增强，利于离子筛分。离子分离性能测试显示，MLM 膜选择性差，而 MLM-EDTA 膜对K⁺的传输影响小，但显著阻碍其他离子，K⁺/Mg²⁺选择性高达 121.2。这归因于尺寸诱导的离子部分脱水，以及 EDTA 对不同阳离子的识别作用，其与Mg²⁺等二价阳离子的络合能力强，形成稳定络合物，增大离子传输能垒。调节膜的 pH 改变局部电荷密度实验表明，随着 pH 升高，电荷密度增大，K⁺/Mg²⁺选择性显著提升，且电荷密度与选择性呈线性相关。MLM-EDTA 膜对Mg²⁺的传输阻力大幅增加，而K⁺受影响小。

NatureCommunications|(2023)14:4907 https://doi.org/10.1038/s41467-023-40742-8

例3：Environmental Science & Technology独立式氧化石墨烯膜的正向渗透中正向溶质传输研究

Environ.Sci.Technol.2021,55,6290−6298  https://doi.org/10.1021/acs.est.0c08135 

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