镁基插层结构功能材料宏量制备中的表面缺陷控制与团聚行为研究

Mg-based intercalated functional materials (LDHs) is a class of anionic intercalated functional material. The chemical composition and structure can be readily tailored and controlled obtaining different functional materials with enhanced or new properties. Several commercial plants have been constructed and the products have been widely used in agriculture, construction material, petrochemistry fields etc. The total consumption would be more than 1 million tons per year. However, it is found during the commercial mass production that the crystal surface defects would cause serious agglomeration of these nanoparticles. The agglomeration greatly declines the performance of these materials..In this project, the type, amount and distribution of surface defects will be controlled by modulating aging conditions, ion environment, etc. The formation and properties of surface defects will be studied by crystallography theory, followed by the analysis of the effect of surface defects on the agglomeration of LDHs nanoparticles. Then the relationship between surface defects and agglomeration will be revealed. The method to avoid agglomeration of LDHs nanoparticles will be forwarded by reducing surface defects, introducing anti-agglomeration functional gust and adding dispersant. The research work in this project will be very helpful for the mass production of Mg-based intercalated functional material, contributing to the more efficient utilization of magnesium resources in salt lakes.

镁基插层结构功能材料（LDHs）是一类新兴的阴离子型功能材料，通过调控其组成结构，在获得新结构的同时获得新功能，或使其性能得到极大强化，得到多种功能材料。目前已建成多套产业化装置，产品在农业、建材等领域得到广泛应用，年需求量超过100万吨。但在产业化宏量制备中出现了难以解决的团聚现象，极大影响了产品性能，后经大量研究表明是晶体表面缺陷导致了纳米晶粒的团聚。.本课题通过控制晶化和降温条件以及离子环境等方式调控LDHs表面缺陷种类、数量、分布等性质，利用晶体学等理论研究缺陷形成过程和性质，结合双电层等理论研究缺陷对纳米晶粒团聚的影响，揭示LDHs纳米晶粒表面缺陷的形成及其团聚现象的科学本质，并进一步提出通过强化晶化过程、准平衡态降温及加入分散剂和引入抑制团聚的客体等方法，避免或降低LDHs纳米晶粒的团聚，为镁基插层结构功能材料的宏量制备和产业化生产奠定理论基础，进而促进盐湖镁资源高值。

镁基插层结构功能材料（LDHs）是一类新兴的阴离子型功能材料，通过调控其组成结构，在获得新结构的同时获得新功能，或使其性能得到极大强化，得到多种功能材料。目前已建成多套产业化装置，产品在农业、建材等领域得到广泛应用，年需求量超过100万吨。但在产业化宏量制备中出现了难以解决的团聚现象，极大影响了产品性能，后经大量研究表明是晶体表面缺陷导致了纳米晶粒的团聚。.本课题针对上述问题开展工作，系统研究了晶化时间、晶化温度、自然降温、快速降温、不同Mg/Al比、不同阴离子金属盐原料、不同层间客体等多种因素对LDHs表面原子排布和表面缺陷的影响，利用晶体生长理论等对纳米粒子表面缺陷的种类、数量、分布等进行了研究，总结了影响表面缺陷形成的因素。利用LDHs层板电荷的形成与分布等晶体结构理论和界面化学中的双电层理论对LDHs的团聚现象进行了分析和研究，提出了在晶化和降温过程中形成的大量表面缺陷是导致LDHs纳米粒子团聚的主要原因，揭示了纳米粒子团聚和晶粒表面缺陷之间的内在联系和科学本质。提出了在工业上通过程序控温的准平衡态降温方法，使溶液中的离子在接近溶解——沉淀的平衡状态下均匀沉淀，并形成纳米晶粒，避免了快速降温过程中由于过饱和度过高造成的原子杂乱排列现象，有效减少了LDHs纳米晶粒表面缺陷，避免了团聚现象。为镁基插层结构功能材料的宏量制备和产业化生产奠定了技术基础。.课题组以盐湖氯化镁为原料，在千吨级产业化装置上进行了生产验证，有效避免了大规模生产中LDHs纳米粒子的团聚现象。本项目工作得到了青海省科技厅的高度重视，后续产业化工作获得了青海省科技成果转化项目支持，现正在和格尔木藏格钾肥有限公司合作建设1套1000t/a的产业化示范装置，采用青海废弃氯化镁为原料制备LDHs纳米材料；此外，课题组还与西部矿业集团签订了在海西州德令哈市建设2000t/a的镁基插层结构功能材料产业化示范装置的合同，使项目成果得到了实际转化，为盐湖废弃镁资源的高值利用提供了示范。