Theoretical Study on the Construction and Characteristics of the Host-guest Intercalated Structure of Layered Double Hydroxides

doi:10.7503/cjcu20200404

Abstract

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

CLC Number:

O641

ZHU Yuquan, ZHAO Xiaojie, ZHONG Yuan, CHEN Ziru, YAN Hong, DUAN Xue. Theoretical Study on the Construction and Characteristics of the Host-guest Intercalated Structure of Layered Double Hydroxides[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2020, 41(11): 2287-2305.

Figures/Tables 20

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]

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

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

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]

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

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