纳米水滑石的机械力化学/原位结晶法合成及其机理研究

Hydrotalcite is one kind of layered double hydroxides, and has special crystal chemical characteristics. Hydrotalcite is widely used in the fields of chemical engineering, materials engineering, environmental protection, medicine, and so forth, owing to its unique capability of catalytic activity, adsorbability, ion exchange and thermal stability.The nano-hydrotalcite is synthesized by the method of mechanochemistry/in-situ crystallization, using brucite, aluminium hydroxide and sodium carbonate as raw materials. This research is intended to prepare hydrotalcite by means of incorporating aluminium ion and carbonate ion into the crystal structure of brucite, based on the similar crystal structure. The mechanism of mechanochemistry preparing precursor is discussed by revealing the change rules of physical and chemical properties, such as morphology, crystal structure, thermal stability and so on; Energy conversion and temperature variation in the process of collision are calculated, in order to discuss the thermodynamics and dynamics of mechanochemistry reaction; The law of crystal growth in the process of in-situ crystallization, and optimizing of crystal conditions are carried out to establish the crystal form controlling mechanism and illuminate the in-situ crystallization reaction mechanism. The research implementation provides theoretical support for synthesis of high property hydrotalcite.

水滑石是一种层状双羟基复合金属氧化物，因其特殊的晶体化学特征，具有优良的催化性、吸附性、离子交换性和热稳定性，广泛应用于化工、材料、环保和医药等领域。本项目基于水滑石与水镁石晶体结构相似性，以水镁石、氢氧化铝和碳酸钠为原料，采用机械力化学/原位结晶法合成纳米水滑石，旨在将铝离子引入水镁石晶体层板结构中，并在层间插入碳酸根离子形成水滑石。通过揭示非晶化过程和重结晶过程中水镁石和氢氧化铝的表观形貌、晶体结构、热稳定性等物理化学性质的变化规律，阐明机械力化学法制备前驱体的反应机理；计算碰撞中的能量转化和物料温度的变化，探讨机械力化学反应的热力学和动力学原理；通过揭示前驱体原位结晶过程的晶体生长规律，开展晶化条件的优化研究，建立晶型控制机制，阐明原位结晶法制备水滑石的反应机理。项目的实施为高品质水滑石的合成提供理论支撑。

本项目基于水滑石与水镁石晶体结构相似性，以水镁石、氢氧化铝和碳酸钠为原料，采用机械力化学/原位结晶法合成纯度为97.46%，白度为90%，pH值为8.75，比表面积为28.521m2/g，颗粒平均表观粒径为9.126 μm，平均晶粒粒径为40nm的纳米水滑石。.水镁石和氢氧化铝在机械力的作用下，最初表现为颗粒细化，比表面积增加，晶粒尺寸减小；随着机械力作用加剧，颗粒表面的晶体结构受到强烈的破坏，出现了晶格畸变而形成无定形层，随着粉碎的继续进行，无定形层逐渐加厚，最后整个颗粒非晶化，水镁石沿(001)和(101)面发生滑动形成位错，且位错处的Mg-O键断开，而Al(OH)3晶体结构完全被破坏，Al-O键断开，机械力形成的应力场驱使离子半径小，电负性强的Al3+扩散到水镁石的晶界和缺陷处，形成Mg-Al共价键，最后形成了Mg(OH)2-Al(OH)3固溶体；具有较高表面能的Mg(OH)2-Al(OH)3固溶体在湿磨过程中，层板金属离子容易与水分子中具有负电性的氧原子结合，从而在层间吸附部分羟基和水分子，使固溶体在机械力的作用下，与水发生机械力化学反应，生成了具有类似水滑石结构的前驱体。.通过研究机械力化学作用过程中的热力学和动力学, 得出机械力对Mg(OH)2和Al(OH)3储能的贡献主要来自三部分：1）Mg(OH)2和Al(OH)3的粒度细化使得表面积增加，Mg(OH)2和Al(OH)3的表面能随之增加；2）Mg(OH)2和Al(OH)3的微观晶粒细化，晶界面积增加，晶界能增加；3）机械力作用下，晶格发生扭曲，位错能增加；机械力的作用对动力学的影响主要有两个方面，一是降低反应活化能，二是增加反应接触面积。.前驱体在水热条件下，层间阴离子OH-与溶液中的CO32-发生交换，导致层间带负电荷，层板阳离子发生重排，层板电荷密度增加，从而使整个结构显电中性，在此期间，晶体在a轴方向逐渐长大，相邻两六方晶胞中金属离子的距离增大，生成了高结晶度的纳米水滑石。. 项目的开展对我国水镁石资源的高值化利用、高品质水滑石的规模化生产及应用具有一定的指导意义。