簡單陰離子及谷氨酸插層LDHs功能材料的理論計算模擬研究.pdf

1、層狀雙金屬氫氧化物（Layered Double Hydroxides，簡寫為LDHs），又稱陰離子粘土或水滑石類化合物，是一種具有特殊層狀構(gòu)型的功能材料。由于該材料主體層板元素的可調(diào)控性和層間客體的可交換性，為此類材料的迅速發(fā)展提供了廣闊的空間，使其在離子交換、吸附、催化、醫(yī)藥、光、電、磁等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
　　 簡單無機(jī)陰離子插層水滑石的密度泛函理論研究：通過模擬簡單無機(jī)陰離子F-，Cl-，Br-，I-，OH-

2、，NO3-，IO3-，ClO4-插層水滑石的微觀結(jié)構(gòu)，深入討論客體陰離子與主體層板的相互作用、成鍵、態(tài)密度、電子性質(zhì)等。層板的金屬陽離子與羥基之間不僅存在離子鍵作用也存在共價鍵作用。LDHs-X主客體間存在著較強(qiáng)的超分子作用，主要包括靜電和氫鍵作用。當(dāng)層間陰離子為簡單的鹵素陰離子時，主客體相互作用力強(qiáng)度與鹵素陰離子的電負(fù)性強(qiáng)度變化方向相一致，體系的LUMO軌道彌散在整個層間區(qū)域。當(dāng)層間陰離子為較為復(fù)雜的陰離子時，該順序與層間陰離子的中心

3、原子及與其結(jié)合的原子，兩者之間電負(fù)性差值的絕對值大小相一致，體系的LUMO軌道幾乎定域在層間陰離子上。金屬陽離子的p軌道和客體陰離子的s軌道對整個體系的離子鍵部分貢獻(xiàn)較大，而金屬陽離子的s軌道和客體陰離子的p軌道對體系的共價鍵部分貢獻(xiàn)較大。LDHs-X體系中存在多重氫鍵，單個普通氫鍵的強(qiáng)度強(qiáng)于單個多重氫鍵，但多個多重氫鍵會使層間陰離子與層板羥基間產(chǎn)生較單個普通氫鍵更強(qiáng)的作用。
　　 鎂鋁水滑石限域空間中Cl-與H2O的超分子作用

4、研究：通過模擬簡單無機(jī)陰離子插層水滑石的微觀結(jié)構(gòu)，在層間加入不同個數(shù)的水分子，深入討論客體陰離子、層間水分子以及主體層板三者之間的相互作用、成鍵、氫鍵分布、電子性質(zhì)等。隨著水分子數(shù)的增加，LDHs-Cl-的層間距逐漸增大后趨于平衡。水合過程中氫鍵作用比靜電作用更占優(yōu)勢，Layer-Water型氫鍵要略強(qiáng)于Anoin-Water型氫鍵。當(dāng)n=1，2時，Cl-與水分子所在平面以平行層板的方式存在于LDHs層板間，并且與兩層板的距離基本相等；

5、當(dāng)n=3，4時，Cl-與水分子則以偏向某一層的方式隨機(jī)地存在于LDHs層板間。隨著層間水分子增加，LDHs-Cl-nH2O由離子型晶體向分子型晶體轉(zhuǎn)化，LDHs-Cl-的水合具有飽和量。
　　 層間水含量對插層水滑石力學(xué)特性的影響：通過模擬不同層間水含量的簡單無機(jī)陰離子插層水滑石體系，深入研究層間水分子含量對材料各個力學(xué)特性，如：彈性常數(shù)，切變模量，楊氏模量，泊松比等的影響。層間水分子含量（n）對材料的力學(xué)性質(zhì)有很大的影響。層間

6、水分子能提高體系總體的抗壓性能，當(dāng)n=1時，材料的抗壓性能最好；當(dāng)n=2時，材料抵抗剪切變形的能力最差，體系最柔軟。層間水分子對材料楊氏模量的影響較大，對泊松比的影響并不明顯。且層間水分子對材料橫向的力學(xué)性能起到平均化作用，最終使材料在x軸和y軸方向上的抗壓性能和膨脹率趨于一致。
　　 谷氨酸插層鋅鋁水滑石的分子動力學(xué)模擬研究：優(yōu)化模擬及確認(rèn)Glu-Zn3Al-LDHs功能材的超分子結(jié)構(gòu)和水合膨脹性能。當(dāng)Mw≤8時，Glu-LD

7、Hs體系的層間距dc保持基本恒定，當(dāng)Nw≥8時，層間距逐漸增大，符合dc=0.432Nw+8.837（8≤Nw≤52，R2=0.9983）線性方程。水合能逐漸增大，當(dāng)Nw=36時，趨于平衡，Glu-LDHs在水環(huán)境或濕度很高的條件下能夠持續(xù)吸水不會發(fā)生剝離。Glu-LDHs的水合過程如下：首先水分子同步與層板和陰離子形成氫鍵；當(dāng)陰離子趨于飽和后，水分子繼續(xù)與層板形成氫鍵，并逐步發(fā)生Layer-Water型氫鍵取代Layer-Anoin型