分层LiAl-LDO的前驱体工程：基于二维COS光谱学对结构演变和热转变路径的研究

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分层LiAl-LDO的前驱体工程：基于二维COS光谱学对结构演变和热转变路径的研究

时间：2026年1月21日

来源：Journal of Molecular Structure

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工业废铝箔通过pH调控的预工程策略制备了LiAl-LDH纳米片阵列，热转化为LiAl-LDO后具有高比表面积（156.92 m²/g）和缺陷丰富的表面，实现高效去除阴离子Cr(VI)和阳离子染料。

中国电子科技大学电子科学与工程学院，成都 611731，中华人民共和国

摘要

从工业废料中开发多功能材料对可持续发展具有重要意义，但对其结构演变的精确控制仍然具有挑战性。在这里，我们提出了一种绿色、受pH值调控的前体工程策略，利用废弃铝箔作为铝源和生长基底，原位制备了层状双氢氧化物（LiAl-LDH）纳米片阵列，然后通过热处理将其转化为层状双氧化物（LiAl-LDO）。通过调节前体溶液的pH值，可以精确调控LDH前体的晶体相纯度和形貌，从而指导后续的热转化路径。二维相关光谱（2D-COS）分析表明，LDH向LDO的热转化在分子层面遵循有序、连续的路径。固态²⁷Al核磁共振进一步揭示了一种亚稳态活性物种的存在，即含有五配位铝（AlO₅）位点的富缺陷非晶框架。在这些结构洞察的指导下，优化后的LiAl-LDO具有156.92 m²/g的比表面积（约为对照组的20倍），并且表面富含缺陷，能够高效且选择性地去除阴离子Cr(VI)和阳离子染料。这项工作建立了一种将前体调控、热转化和功能设计相结合的综合策略，也为构建多功能材料提供了一种基于机制的方法。

引言

在界面材料科学中，精确控制结构-性能关系仍然是一个关键挑战[1]。近年来，前体工程已成为调节功能材料的晶体相、缺陷构型和微观结构的有效方法。然而，大多数研究仅关注静态形貌控制[2]。相比之下，前体性质如何决定后续结构演变和最终界面性能的机制尚未得到系统阐明。这一差距限制了从基于经验的合成向基于机制的高级材料工程的转变。

层状双氢氧化物（LDH）及其煅烧产物层状双氧化物（LDO）是研究前体-产物关系的理想模型系统[3]。LDH因其层状结构和可调组成而广泛应用于环境和能源领域[4,5]；而LDO则具有高比表面积和丰富的吸附及催化活性位点[6]。传统的共沉淀方法容易导致严重的颗粒团聚和组成不均匀性，从而影响LDO的性能[7]。模板辅助法[8,9]可以更好地控制形貌和组成，但需要昂贵的多步骤程序和高纯度试剂，这与绿色化学原则不太兼容。此外，将前体物理化学性质与热转化路径及最终材料性能相关联的综合性研究仍然很少[10]。

为了解决这些挑战，我们开发了一种绿色的原位水热法，使用工业废弃铝箔作为铝源和生长基底。该方法制备出垂直排列、自支撑的3D LiAl-LDH纳米片阵列，有效避免了团聚和结构不均匀性。同时，它促进了资源回收，并符合低碳制造原则。通过调节前体溶液的pH值，可以精确控制LDH的内在性质，包括其晶体相、化学组成和层状结构。

至关重要的是，这项工作旨在阐明热转化过程中的原子级结构演变机制。结合2D-COS和固态²⁷Al核磁共振，该方法揭示了LDH向LDO的有序热转化，并识别出一种亚稳态“新物种”，即含有五配位铝（AlO₅）位点的富缺陷非晶框架。所得到的LDO保持了层状结构，具有高比表面积，并且表面富含缺陷，能够高效降解阳离子亚甲蓝（MB）和还原阴离子Cr(VI)。

这项研究开发了一种高价值的废旧金属资源再利用途径。更重要的是，它通过将前体调控与最终材料的结构和功能性能联系起来，建立了一种基于机制的多功能材料设计蓝图。

材料与试剂

氯化锂（LiCl）、六水合氯化铝（AlCl₃·6H₂O）、氢氧化钠（NaOH）、盐酸（HCl，1 mol/L）、过氧化氢（H₂O₂，30 wt%）、亚甲蓝（MB，C₁₆H₁₈ClN₃S）、重铬酸钾（K₂Cr₂O₇）、1,5-二苯肼（DPC，C₁₃H₁₄N₄O）和无水乙醇（≥ 99.7%）均从成都Kolon化学有限公司购买，均为分析级。所有试剂均按原样使用，无需进一步纯化。所有水溶液均使用去离子水配制。

相变与结晶度（XRD）

通过优化原位水热参数来调控LiAl-LDH前体的结构和形貌，验证了前体工程策略的有效性。发现水热温度是一个关键因素。在80°C时，反应不完全，未反应的金属铝（Al⁰，JCPDS No. 04-0787）[12]占主导（图2a）。将温度升高到120°C后，产生了LiAl-LDH的清晰衍射峰（JCPDS 42-0729）[13]，表明该温度适合获得高结晶度。

结论

本研究建立了一种利用工业废弃铝箔合成多功能LiAl-LDO的绿色可持续策略，该方法基于前体工程概念。研究表明，调节前体溶液的pH值可以精确控制LiAl-LDH前体的物理化学性质，包括其晶体相纯度和三维层状结构。这些前体特性决定了后续的热转化路径。

CRediT作者贡献声明

Xiaolong Qing：撰写——初稿，正式分析。Xiaolong Weng：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金获取。Le Yuan：撰写——审稿与编辑，项目管理，概念构思。En Zheng：实验研究。Lun Qi：验证。Yaqin Wang：监督，方法学。Xiaodong Ma：数据管理。Yongzhi Li：数据可视化。Lei Zhang：监督，资金获取。Min Zhang：监督，资金获取。