类水滑石材料主客体插层结构的构筑及特性的理论研究

doi:10.7503/cjcu20200404

摘要/Abstract

摘要：

因主体层板和层间客体具有丰富的可调性, 类水滑石材料(LDHs)在催化、吸附、生物医药及光、电、磁等方面展现出了广阔的应用前景. 近年来理论研究已成为揭示LDHs微观结构和性质的重要手段, 本文系统综述了LDHs材料主体结构、客体结构以及主客体相互作用3个方面的理论研究工作进展, 及其在作为光驱动催化剂方面应用的理论研究. 从主体元素构成、元素比例、电荷分布、拓扑结构转变、能带结构、态密度、层间阴离子组成、离子交换性能、主客体作用力、能量性质及光催化性能等方面, 在原子、电子尺度上揭示了LDHs材料结构-性能之间的构效关系, 为以其为材料平台构筑一系列基于超分子插层结构主客体间相互作用的新型功能材料、扩展材料的功能性提供了丰富的理论信息和有益指导.

关键词: 类水滑石材料, 主客体结构, 光催化, 密度泛函理论, 分子动力学

Abstract:

Due to the large variety of the layer cations and interlayer anions， layered double hydroxides （LDHs） have shown the applications in the fields of catalyst， adsorption， biomedicine and optics， electricity and magnetism. Theoretical methods have become the powerful tools to uncover the microstructure and properties of LDHs. Herein， we systematically summarize the recent research progress in the field of theoretical studies on the host structure， guest structure and host-guest interaction of LDHs， and its application as an optical-driven catalyst， including the type of the layer cations， the composition of the cations， charge distribution， topotactic transformation mechanism， band structure， density of states， orientation of interlayer anions， ion-exchange properties， host-guest interaction， energy properties， and photocatalytic properties， etc. The relationship between the structure and the properties of LDHs materials has been systematically studied on the level of molecule and electron. This work provides abundant theoretical information and guidance for construc- ting novel LDHs-based functional materials.

Key words: Layered double hydroxides（LDHs）, Host-guest structure, Photocatalysis, Density functional theory, Molecular dynamics

中图分类号:

O641

TrendMD:

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图/表 20

Fig.1 Idealized structure of layered double hydroxides(LDHs)MⅡ is the divalent cation; MⅢ is the trivalent cation; An- is the interlayer anion.

Fig.2 Cluster model(A) and periodicity model(B) of LDHsMⅡ is the divalent cation; MIII is the trivalent cation; An- is the interlayer anion.

Table 1 Experimental cell parameters of the reported binary MⅡ2M(Ⅲ/Ⅳ)?Cl?LDHs(polytype: 3R)

LDHs	Cell parameter/?	Mg(II)	Ca(II)	Co(II)	Ni(II)	Cu(II)	Zn(II)
M₂Al?LDHs	a, b	3.08^[35]	5.75^[37]	3.10^[38]^b	3.03^[39]^b	2.93^[40]^b	3.08^[41]
	c	7.86^[36]^a	23.49^[37]	22.47^[38]^b	25.94^[39]^b	26.10^[40]^b	7.75^[42]^a
M₂Cr?LDHs	a, b	3.01^[43]		2.99^[43]	3.55^[44]^c	3.58^[44]^c	3.57^[44]^c
	c				22.80^[44]^c	22.80^[44]^c	22.80^[44]^c
M₂Mn?LDHs	a, b			3.05^[45]	3.06^[46]
	c
M₂Fe?LDHs	a, b	3.11^[47]^b	5.86^[48]	3.13^[49]^c	3.03^[29]		3.03^[50]
	c	23.19^[47]^b	23.31^[48]	24.92^[49]^c	22.18^[29]		23.58^[1]
M₂Ga?LDHs	a, b	3.09^[51]	5.83^[37]	3.08^[52]^d	3.06^[53]^b		3.20^[54]^b
	c		23.42^[37]	22.80^[52]^d	22.98^[53]^b		5.20^[54]^a,b
M₂Ti?LDHs	a, b			2.92^[55]^b	3.02^[56]^e	3.07^[29]	3.06^[29]
	c			24.33^[55]^b	21.43^[56]^e	22.16^[29]	22.15^[29]

Table 2 Calculated and experimental cell parameters of the optimized LDHs structure[58,59]

LDHs	Exchange?correlation functional	Cutoff energy/eV	k?Points mesh	Unit cell parameter
LDHs	Exchange?correlation functional	Cutoff energy/eV	k?Points mesh	a/?	b/?	c/?	V/?³
ZnAl?Cl?LDH	GGA/PBE^[58]	408	3×3×2	3.13	3.13	23.47
(supercell: $(3 × 3) R 30 °$ )	GGA/revPBE?vdW^[58]	408	3×3×2	3.18	3.18	23.87
	Experimental^[60]			3.08	3.08	23.35
MgFe?CO₃?LDH	GGA/PW91^[59]	480	2×2×2	3.07	3.08	22.81	186.90
(supercell: $(23 × 3) R 30 °$ )	GGA spin polarized^[59]	480	2×2×2	3.10	3.11	22.82	190.38
	GGA+U^[59]	480	2×2×2	3.14	3.14	22.80	194.77
	Experimental^[61]			3.10	3.10	23.17	192.83

Table 2 Calculated and experimental cell parameters of the optimized LDHs structure[58,59]

LDHs	Exchange?correlation functional	Cutoff energy/eV	k?Points mesh	Unit cell parameter
LDHs	Exchange?correlation functional	Cutoff energy/eV	k?Points mesh	a/?	b/?	c/?	V/?³
ZnAl?Cl?LDH	GGA/PBE^[58]	408	3×3×2	3.13	3.13	23.47
(supercell: $(3 × 3) R 30 °$ )	GGA/revPBE?vdW^[58]	408	3×3×2	3.18	3.18	23.87
	Experimental^[60]			3.08	3.08	23.35
MgFe?CO₃?LDH	GGA/PW91^[59]	480	2×2×2	3.07	3.08	22.81	186.90
(supercell: $(23 × 3) R 30 °$ )	GGA spin polarized^[59]	480	2×2×2	3.10	3.11	22.82	190.38
	GGA+U^[59]	480	2×2×2	3.14	3.14	22.80	194.77
	Experimental^[61]			3.10	3.10	23.17	192.83

Table 3 Ueff of the transition metal cations of LDHs

Metal cation	U_eff/eV	Metal cation	U_eff/eV	Metal cation	U_eff/eV	Metal cation	U_eff/eV
Co²⁺	3.52^[63]	Cu²⁺	3.6^[65]	Mn³⁺	3.54^[67]	Ti⁴⁺	6.0^[68]
Ni²⁺	3.8^[64]	Cr³⁺	3.2^[66]	Fe³⁺	4.3^[66]

Table 4 Optimized Geometries of [M2Al(OH2)9(OH)4]3+[27]

Bond length and bond angle	M=Mg²⁺		M=Ca²⁺
Bond length and bond angle	6?31G(d)	LANL2DZ/6?31G(d)	6?31G(d)	LANL2DZ/6?31G(d)
M—O(in ?)^a	2.202	2.191	2.510	2.505
Al—O3(in ?)	1.884	1.885	1.874	1.877
M1???M2(in ?)	3.150	3.139	3.774	3.743
M???Al(in ?)^b	3.042	3.037	3.365	3.366
O3—H(in ?)	0.968	0.968	0.968	0.969
O—M—O(in degree)^c	76.70	76.81	71.81	71.85
O—Al—O(in degree)^d	86.56	86.36	90.43	90.34

Fig.4 [MII2Al(OH2)9(OH)4]3+ cluster model(A), the linkage around the three?centered bridging OH group(B), the relationship between zero?point corrected binding energy (ZPE) ΔEb(1 kcal=4.19 kJ) of the clusters and the atomic number of MII(C)[27]Copyright 2009, American Chemical Society.

Fig.5 ZnAl?LDHs clusters with R(Zn2+/Al3+) in the range of 2—6(A) and relationship between the formation energy Ef(1 kcal=4.19 kJ) of the ZnRAl?LDHs(R=3—6) clusters and R(B)[69]Copyright 2010, Elsevier.

Fig.6 Periodic disordered computational model formulated as Mg1-xAlx(OH)2Clx and ordered 3×3×1 supercells (Mg/Al ratio=2) for MgAl?Cl?LDHs with different stacking sequences（3R, 2H and 1H)(A) and lattice energy of the disordered MgAl?Cl?LDHs model stacking in different sequences as a function of R(B)[57]Copyright 2010, American Chemical Society.

Fig.7 Electron density difference of layer in Mg2Al?A?LDHs[34](A) Mg2Al?F?LDHs (B) Mg2Al?Cl?LDHs; (B) Mg2Al?Br?LDHs; (D) Mg2Al?I?LDHs; (E) Mg2Al?OH?LDHs; (F) Mg2Al?NO3?LDHs; (G) Mg2Al?CO3?LDHs; (H) Mg2Al?SO4?LDHs; (I) Mg2Al?PO4?LDHs. The blue region presents the depletion of electronic density, and the red region indicates the increase of electronic density. Copyright 2020, Royal Society of Chemistry.

Fig.9 Top?view of CLDH?1(A) and CLDH?6 (B); side?view of CLDH?1 (C) and CLDH?6(D)[94]The cell used in calculating the values of σ is defined by the blue line, and the blue dashed line represents the imaginary neighbor cell. Copyright 2016, John Wiley & Sons, Inc.

Fig.10 Possible packing styles of interlayer water molecules of α?Ni(OH)2 and Ni/Al?LDHs[100]The snapshots obtained at 50 ps for F-?Ni/Al?LDHs(A), SO42-?Ni/Al?LDHs(B), and SO42-?Ni/Al?LDHs(C) are also given for illustration. 1 ?=0.1 nm. Copyright 2006, American Chemical Society.

Fig.11 Electronic density difference of interlayer species of Mg2Al?A?LDHs interlayered with different anions(A=F-, Cl-, Br-, I-, OH-, NO3-, CO32-, SO42- and PO43-) under the top view, along with the distances between the H atom (H) of water and halogen anions(X)(dX···H) or O atoms within oxygen acid anions(dO···H) (in ?, 1 ?=0.1 nm)[34](A) Mg2Al?F?LDHs; (B) Mg2Al?Cl?LDHs; (B) Mg2Al?Br?LDHs; (D) Mg2Al?I?LDHs; (E) Mg2Al?OH?LDHs; (F) Mg2Al? NO3?LDHs; (G) Mg2Al?CO3?LDHs; (H) Mg2Al?SO4?LDHs; (I) Mg2Al?PO4?LDHs. The blue region presents the depletion of electronic density, and the red region indicates the increase of electronic density. Copyright 2020, Royal Society of Chemistry.

Fig.13 Electronic density difference of [Mg?Fe?CO3] (A), [Mg?Fe?NO3] (B), [Mg?Fe?HPO4, Na] (C), and hexahydrated sodium(D) in the interlayer region of [Mg?Fe?HPO4, Na] with the HPO42- anion, using GGA calculation[59]The blue region presents the depletion of electronic density, and the red region indicates the increase of electronic density. Copyright 2016, American Chemical Society.

Fig.14 Band edge placements of MIIMII?LDHs(MII=Mg, Co, Ni, Zn; MIII=Al and Ga)[28]The two dashed red lines(-0.41 and 0.82 V vs. SHE) represent the reduction potential of H2 and the oxidation potential of O2 at pH=7. Copyright 2015, American Chemical Society.

Fig.15 Total density of states (TDOS) and partial density of states (PDOS) for the Mg2Al?A?LDHs intercalated with different interlayer anions[34]The Fermi energy is shown as a dashed vertical line, and has been set as 0 eV. (A) Mg2Al?F?LDHs(4.431 eV); (B) Mg2Al?Cl?LDHs(4.141 eV); (C) Mg2Al?Br?LDHs(3.607 eV); (D) Mg2Al?I?LDHs(3.090 eV); (E) Mg2Al?OH?LDHs(3.208 eV); (F) Mg2Al?NO3?LDHs(2.800 eV); (G) Mg2Al?CO3?LDHs(2.197 eV); (H) Mg2Al?SO4?LDHs(3.505 eV); (I) Mg2Al?PO4?LDHs(1.263 eV). Copyright 2020, Royal Society of Chemistry.

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