使用二氧化碳（CO₂）制备改性氢氧化镁并研究其性质

本研究采用二氧化碳活化与表面修饰法制备多层层状氢氧化镁（MH），通过XRD、SEM、FTIR和TGA表征证实其高纯度层状结构，并利用SA修饰提升其疏水性和分散性，为绿色、低成本工业生产提供新策略。

李正浩|张莉|杨玉翠|郭学元|盛叶|周冰

中国吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室，长春130012

摘要

本研究以二氧化碳（CO₂）和氧化镁（MgO）为原料，开发了一种通过CO₂转化制备多层片状氢氧化镁（MH）的方法，并对其表面进行了硬脂酸（SA）改性。通过粉末X射线衍射（PXRD）、扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对产物进行了表征，分析了其晶面分布、形貌和官能团。此外，还进行了热重分析（TGA）以研究分解温度。分子动力学模拟进一步阐明了SA在MH表面的排列情况。该方法提出了一种新的策略，利用气态CO₂代替传统的工业前驱体来合成活性MH，从而减少了环境污染，降低了生产成本，并使反应过程更加温和。这些发现为后续开发具有成本效益和环境友好的工业规模生产提供了理论指导。

引言

近年来，由于其出色的物理化学性质[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]，氢氧化镁（MH）引起了研究人员的广泛关注。作为一种重要的无机功能材料，MH具有高的热力学稳定性、可控的粒径、高熔点、大的比表面积和优异的隔热性能，因此获得了全球范围内的认可[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。得益于这些性质，MH在阻燃剂、抗菌剂和废水处理等领域具有广泛的应用前景和重要的研究价值[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。特别是在无机阻燃剂和热稳定剂领域，MH作为一种有前景的绿色阻燃剂，能够在热分解过程中吸收大量热量并释放水分子，从而稀释可燃气体并降低火焰传播速率[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]，因此成为该领域的研究焦点[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。

目前，制备MH的主要方法包括氨循环法、水碱沉淀法和石灰法。李等人使用轻质煅烧氧化镁作为原料，通过氨循环法合成了MH阻燃剂[47]。刘等人设计了一种氨气鼓泡反应器来合成MH，以轻质煅烧氧化镁为镁源，硫酸铵为反应物，生成的氨气作为沉淀剂，并引入表面活性剂以改善产物的分散性和形貌[48]。周等人使用十二烷基硫酸钠和单醇醚磷酸酯作为表面改性剂，六水合硝酸镁（Mg(NO₃)₂·6H₂O）作为镁源，氢氧化钠（NaOH）作为沉淀剂[49]。该方法操作简单，产率较高，制备出的MH具有均匀的形貌和良好的应用潜力。刘等人还利用氢氧化钙和氯化镁溶液通过机械化学方法制备了MH和轻质氧化镁颗粒[50]，结果表明该方法降低了MH产品中的氧化钙含量，符合国际标准。然而，这些传统方法仍面临严重的环境污染和高生产成本的挑战。迄今为止，还没有一种单一的制备方法能够同时实现高纯度、高产率、零污染、无杂质和重金属、原料简单、操作简便以及适用于大规模工业生产的要求。

为了解决这些问题，本研究在以往研究的基础上，提出了一种基于碳化的新型MH制备策略。该方法使用CO₂、NaOH和MgO作为原料，三水合碳酸镁（MgCO₃·3H₂O）作为中间产物，碳酸钠作为副产物。与使用氨气作为沉淀剂的传统方法相比，这种方法在环境和经济上具有显著优势。从原料角度来看，所提出的路线利用了价格低廉、丰富且在工业规模上易于获得的MgO、NaOH和CO₂。与基于可溶性镁盐（如MgCl₂或MgSO₄）的传统方法相比，该方法避免了成本较高的前驱体和盐碱废水的产生，从而减少了后续处理的需求。CO₂可以作为绿色、无污染的反应物进行利用和回收，副产物碳酸钠也可以重新用作沉淀剂，降低了原料成本，提高了资源利用率，并减轻了传统工艺带来的污染和恶劣生产条件问题。合成过程在温和条件下进行，无需高压、有机溶剂或复杂设备，显示出良好的可扩展性和低能耗。此外，所得到的多层MH具有层次结构，相对于传统商业MH具有更高的功能潜力，可应用于阻燃、聚合物增强和吸附等相关领域。系统研究了MH的制备路线，并进一步探讨了温度、反应时间和原料比例等因素对最终产物结构和性能的影响。

本研究不仅提供了一种合成高纯度、低成本MH的可行方法，还为其潜在的大规模工业生产奠定了理论和实践基础。为了进一步提高MH的工业适用性，本研究对其表面进行了SA改性。SA是一种天然存在的脂肪酸，几乎存在于所有脂肪中，也是日用化学工业中的常见原料，主要用于生产润滑剂、消泡剂、食品添加剂和热能储存材料[51]、[52]、[53]。改性后，MH表面变得亲脂，显著提高了其在树脂聚合物基质中的分散稳定性和加工性能，从而提升了阻燃性能。此外，本研究系统研究了不同质量分数的SA对MH形貌和粒径分布的影响，为高性能MH复合材料的制备提供了理论和实验参考。

总之，本研究不仅探索了一种通过碳化方法制备高性能MH的新途径，还系统研究了SA表面改性对结构和性能的影响，为MH的绿色、高效和低成本工业生产及功能应用提供了可行的策略。

材料与方法

MgO（98.0%，上海阿拉丁生化科技有限公司），CO₂（99.2%，长春新光气体制造有限公司），NaOH（96.0%，天津新博特化工有限公司），SA（C₁₈H₃₆O₂，天津第六化学试剂厂有限公司），无水乙醇（C₂H₅OH，天津新博特化工有限公司）。温度使用Ulebo DD-1000F系统精确控制，精度优于±0.1 °C。样品形貌使用Regulus 8100场发射扫描电镜进行表征

结果与讨论

通过碳化法制备并随后用SA改性的样品的PXRD图谱如图1所示。所有衍射峰均可与标准MH结构对应。未检测到额外的峰，表明合成的MH具有高相纯度。衍射结果进一步显示，MH的主要暴露晶面为

结论

根据上述结果，可以得出结论：MH是通过基于CO₂的碳化方法成功合成的，SA有效吸附在其表面。此外，SA改性的MH表现出增强的疏水性和改善的表面特性，为其在阻燃材料和其他功能材料领域的应用提供了更大的潜力。此外，还系统研究了SA用量对MH性能的影响。

作者贡献声明

李正浩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，项目管理，方法学，研究，数据分析，概念化。张莉：撰写 – 审稿与编辑。杨玉翠：撰写 – 审稿与编辑。郭学元：撰写 – 审稿与编辑。盛叶：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。周冰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：周冰拥有一个活性氢氧化镁的制备方法的专利，该专利未授权给任何人。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。