说明：本文华算科技介绍了层状双金属氢氧化物（LDHs）的结构、通式及记忆效应、阴离子交换性等基础特性，还详述共沉淀、阴离子交换、再水合、溶胶–凝胶等制备方法及原理，读者可系统学习到LDHs的核心特性与制备手段，了解其在催化、储能等领域的应用潜力，为相关学习或实践提供关键知识支撑。
层状双金属氢氧化物（LDHs）是一类二维阴离子层状化合物，其结构由金属氢氧化物八面体单元构成，形成类水镁石层。层状双氢氧化物的通式为:
M2+1-xM3+x(OH)2An-x/n·zH₂O
其中M2+为二价金属阳离子，M3+为三价金属阳离子，An-为阴离子。阳离子构成带正电的层，电荷密度与三价金属离子比例x（x=M2+/(M2++M3+)）成正比，x的取值范围为0.2-0.33。层间含有阴离子和水分子，共同维持层状双金属氢氧化物的结构稳定。
图1. 层状双金属氢氧化物的通用结构。DOI: 10.1007/s10311-021-01200-3
LDHs具有诸多优异特性：其层间阴离子具有可移动性，表面呈碱性，且因层板带正电荷，阴离子交换过程极易进行。通过简单的阴离子交换法，可将层间原有的阴离子和水分子替换为所需的其他阴离子。
LDHs经煅烧后可形成混合金属氧化物，这类氧化物具有优异的催化性能。此外，层状双氢氧化物还具有独特的结构重构能力（即记忆效应）：在高温下，层状双氢氧化物发生分解，生成的混合金属氧化物与适宜阴离子作用后，可恢复原始结构。通过添加有机阴离子调节层间距，还可调控LDHs的磁学性能。
层状双金属氢氧化物在自然界中以矿物形式存在，也可在实验室或工业规模下人工合成，共沉淀法便是其中一种常用合成方法。该方法为一步法，操作简便且成本低廉，因此广泛用于层状双氢氧化物的合成。
传统共沉淀反应通常将二价+和三价金属阳离子按适宜比例配制成水溶液，随后缓慢加入含待插层目标阴离子的溶液。若需实现两种以上阳离子的同时沉淀，需在过饱和条件下进行合成。
通过添加碱或利用尿素水解调节溶液pH值，可实现过饱和状态，进而引发沉淀反应。为提高产物产率或结晶度，共沉淀反应后通常需进行热处理。
共沉淀法的反应机理基于六水合配合物混合物的缩合反应：形成类水镁石层，层内金属阳离子分布均匀，层间存在溶剂化阴离子。
图2. 通过共沉淀、阴离子交换和重构法合成层状双氢氧化物。DOI: 10.1007/s10311-021-01200-3
阴离子交换法
LDHs由带正电的层片堆叠而成，层间区域含有阴离子，因此阴离子扩散过程具有显著优势。基于这一特性，可通过阴离子交换反应制备层状双金属氢氧化物—反应需在惰性气氛中进行，以避免层间积累碳酸根离子。
静电作用力在阴离子交换过程中发挥重要作用，但目前关于该过程的热力学数据仍较为有限。
阴离子交换反应受多种因素影响：阴离子电荷越高、半径越小，其交换能力越强；在适宜溶剂体系中可扩大层间距；溶液pH值需不低于4（否则层间阴离子相互作用会减弱）；较高温度也有利于交换反应。
对于含大尺寸阴离子的层状双金属氢氧化物，采用共沉淀法合成难度较大，因此常采用阴离子交换法。
如图3所示，以镍钴碳酸盐为原料，可制备镍钴氢氧化物基层状双金属氢氧化物，该材料具有倍率性能提升、库伦效率高、循环稳定性优异等特点，且成本低廉，有望用于制备高性能超级电容器。
图3. Ni-Co电极电容行为的演变。（a）2mA cm⁻²下的充放电曲线。（b）不同电流密度下的面电容。（c）不同电流密度下的库仑效率。（d）在20mA cm⁻²下，NiCo-OH LDH（浸泡12h）与Ni–Co-S电极的循环稳定性对比。DOI: 10.1002/chem.201804218
再水合（重构）法
LDHs具有一种独特性能：经煅烧后可恢复原始结构。煅烧过程中，层间水、阴离子和羟基发生脱除，形成混合金属氧化物。将这些混合金属氧化物与含阴离子的水溶液接触，可重新转化为层状双金属氢氧化物的原始形态，这一过程被称为“记忆效应”。
在该方法中，煅烧温度和层状双金属氢氧化物的组成起着关键作用—研究发现，煅烧温度升高会导致“记忆效应”减弱。整个再水合过程需在惰性氮气氛围中进行。
图4. 通过溶剂热法与共沉淀工艺，构建Fe₃O₄@PI@LDH。DOI: 10.1016/j.chemosphere.2018.11.209
溶胶-凝胶法
溶胶–凝胶法因制备成本低且产物纯度高，被广泛用于层状双金属氢氧化物的合成。该方法的核心优势在于：制备过程中，可通过调节温度、改变主体阴离子组成或增减反应物种类，定制目标固体产物的组成。
具体流程为：将化合物持续搅拌制备溶胶，随后静置老化，使溶胶发生相变转化为凝胶；所得凝胶经过滤后，分别用蒸馏水和乙醇洗涤。
采用该方法可合成高纯度的光催化型层状双氢氧化物。如图5所示，以三仲丁氧基铝和甲醇镁为原料，通过溶胶–凝胶法合成镁铝层状双金属氢氧化物（MgAl-LDH）。
图5. 在堇青石整体式载体上沉积的煅烧CoNiAl催化膜的SEM图像及相应的元素分布图。DOI: 10.1021/cm902741c
其他方法
除上述方法外，还可通过多种其他方法制备不同类型的LDHs。
电合成法：如一锅法在电极表面合成金纳米颗粒-NiAl LDH复合材料。
水热法：适用于低亲和力有机外来阴离子插层，如合成脱氧胆酸盐插层化合物。
盐–氧化物法：固液反应，如氧化锌与氯化铬水溶液反应合成Zn-Cr-Cl LDH。
图6. DC-LDH纳米杂化物的形成与结构示意图。DOI: 10.1016/j.jssc.2013.04.007
【高端测试 找华算】
华算科技是专业的科研解决方案服务商，精于高端测试。拥有10余年球差电镜拍摄经验与同步辐射三代光源全球机时，500+博士/博士后团队护航，保质保量！
🏅已助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
👉立即预约，抢占发表先机！
