[发明专利]一种一步法制备有机分子插层水滑石阵列的方法

说明书

本发明公开了一步法制备有机分子插层水滑石阵列的方法。该方法基于水滑石层板与层间有机分子的限域作用，将插层的有机分子与层板金属盐配制成混合溶液，采用一步水热法直接制得有机分子插层的水滑石阵列，无须进行复杂的离子交换等处理过程。有机分子插层的水滑石的层间距显著扩大，增加了层间活性位点的利用率，有利于其电化学性能的提升。直接制备的阵列结构的有机分子插层水滑石能够有效防止粉体水滑石使用过程中堆叠或脱落现象的出现，能够进一步提高其活性位点暴露程度和稳定性。本发明制备的有机分子插层的水滑石阵列在超级电容器电极材料、金属离子电池电极材料、析氧反应、生物传感器等方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于无机材料合成技术领域，特别涉及一种一步法制备有机分子插层水滑石阵列的方法。

背景技术

层状双金属氢氧化物(水滑石，LDHs)是一类典型的阴离子型层状材料，其化学组成可以用通式[M^II_1-xM^III_x(OH)₂]^z+(A^n-)_z/n·yH₂O来表达，其中M^II和M^III分别是主体层板中的二价和三价金属阳离子,Aⁿ-则是平衡层板正电荷的层间阴离子。水滑石材料层板元素和层间分子高度可调，具有层间限域效应，被用于制备多种新型功能材料，近年来在电池电极材料、催化剂载体、生物传感器等领域受到广泛关注。相比于Cl^-、NO₃^-、SO₄^2-、OH-等尺寸较小的插层离子，大尺寸有机分子的引入可以使水滑石的层间距显著扩大，提高层间活性位点的利用率，从而进一步提升其储能或催化性能。

然而，在合成过程中溶剂中溶解的小尺寸阴离子始终与有机分子插层存在竞争关系，将大尺寸的有机分子引入水滑石层间的难度很大。剧烈的搅拌能够促进有机分子进入粉体状态的水滑石层间，但对于生长在基底上的水滑石阵列并不适用，因为搅拌会严重破坏阵列结构。因此，尽管此前已经进行很多尝试，仍然无法开发出一种简便且可控的手段实现具有良好形貌的有机分子插层水滑石阵列的制备。

考虑到水滑石阵列无需粘合剂即可直接使用，是新型电极材料的理想选择，因此开发制备有机分子插层水滑石阵列新方法的需求愈发迫切。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明在载体处理、前体溶液配制等多个方面进行了一系列改进，从而提出一种简便的一步法制备有机分子插层水滑石阵列的方法，填补了制备水滑石阵列插层有机分子的空白。该方法基于水滑石层板与层间有机分子的限域作用，将插层的有机分子与层板金属盐配制成混合溶液，采用一步水热法直接制得有机分子插层的水滑石阵列，无须进行复杂的离子交换等处理过程。

本发明所述的一步法制备有机分子插层水滑石阵列的方法为：

1).配制二价金属盐和三价金属盐的混合金属盐溶液，二价金属盐的浓度为1-200mg/mL，二价金属盐与三价金属盐的摩尔比为(5:1)-(2:1)；

2).配制含有氟化铵的碱溶液，氟化铵的浓度为5-60mg/mL；

3).配制浓度为10-250mg/mL的插层分子溶液；

4).先向步骤1)配制的金属盐溶液中逐滴加入步骤2)配制的碱溶液，随后再向其中逐滴加入步骤3)配制的插层分子溶液，得到透明澄清的反应液；

5).将步骤4)得到的反应液转移至反应釜中，向釜中加入导电基底，使反应液浸没导电基底，然后在90-120℃下水热反应0.5-48h，即得到有机分子插层水滑石阵列材料。