层间距可控硅酸镁锂纳米粒子的制备及其应用

Studying and developing of high purity interlamellar spacing tunable magnesium lithium silicate plays an important role in materials science and engineering, which not only makes valuable far-reaching significance in many fields especially for pollutants decomposition and energy conversion, but also acts as structure directing agent of various nanometer sized sheets. This study will focus on synthesis of high purity and high activity magnesium lithium silicate nano-materials with controlled average size and crystallization degree via a modified hydrothermal method and microwave-assisted heating method, which employs disposed glass and Qinghai brine lake solution in Qinghai province. By this proposal, we can effectively resolve the high cost, low yield (the target yield >60 %) and environment pollution problems induced by direct extraction of mines. This project devotes to understanding the crystallization progress and mechanism of magnesium lithium silicate particles formation during hydrothermal synthesis, and influences of different factors on its structure and physic-chemical property; demonstrating the relationship among component-structure-property of target material with high specific surface area; developing various nano-functional materials suitable for different applications especially for nano-devices, all of which have profound effects for science and engineering development.

高纯度稀缺资源硅酸镁锂的研究和开发在科学与工程领域占据着举足轻重的地位，为科技发展作出了巨大的贡献。而层间距可控纳米硅酸镁锂粉体材料的开发于推广不仅对污染物降解、能量储存释放等方面具有深远意义，而且还可以作为纳米尺寸片状材料的结构指导剂。本课题将通过充分利用青海盐湖的丰富卤水资源（镁、锂等）和废弃玻璃作为初始材料，通过改性的水热合成方法和微波加热法合成制备纳米氧化物，避免矿藏直接开发带来的低纯度、环境污染等问题，成功解决了稀缺资源的高产率（目标产率>60％）、低成本人工可控合成硅酸镁锂。本项目致力于揭示水热合成硅酸镁锂结晶过程、机理以及各种因素对其结构和性能的影响；阐明高比表面积纳米粉体的组成－结构－性能之间的相互关系；推进其在纳米器件方面的潜在应用，从而推动我国科技事业的发展。

鉴于其独特的微米-纳米结构，阳离子导体硅酸镁锂粉体作为吸附剂、凝胶剂、触变剂、悬浮稳定剂等具有十分广泛的工业用途。人工合成的硅酸镁锂粉体可解绝大多数国家天然硅酸镁锂资源有限、但是需求却十分旺盛的供求差异。据研究报道证明，传统制备硅酸镁锂粉体的水热法中水热工艺条件的控制和原材料的选择对硅酸镁锂粉体的品质有较大影响，但是对其相关机理方面的研究却鲜有报道。.针对该现状，并结合我国具有国际资源优势的卤水资源的开采利用现状，本课题通过对传统水热法制备硅酸镁锂方法的改进，利用盐湖卤水和废弃的玻璃成功制备出了结构、形貌、层间距可控的硅酸镁锂粉体。并且，基于各种分析表征结果如XRD, FE-SEM, Raman光谱，漫反射光谱，HR-TEM，固体质谱分析等，结合各种因素对目标产物硅酸镁锂粉体物理化学性能的影响，总结了其形成机理。据研究表明，利用改进的水热法制备的硅酸镁锂粉体中，反应体系中反应物浓度梯度的有效控制对于硅酸镁锂粉体形貌的控制具有关键性作用。在利用盐湖老卤制备硅酸镁锂片的研究系列中，反应时间的延长和反应温度的控制对于制备纵横比高达500、大层间距的目标产物具有十分重要的影响；而采用非可溶性硅源玻璃作为反应物来制备硅酸镁锂时，得益于表面应力作用，水热体系中形成的硅酸镁锂片层通过“rolling-up”机理，形成了长约几个微米，外径大约200 nm左右的硅酸镁锂纳米管。玻璃硅源的选择是成功制备出硅酸镁锂纳米管的决定性因素之一。.由于其层间距和粒径尺寸大小可调，充分利用表面氢化作用和层间阳离子迁移率和浓度，利用硅酸镁锂粉体和去离子水制备的混合液的导电率随着混合液浓度的增加呈现线性增加。本研究中系统调查了硅酸镁锂的本征导电率、离子电导率和氢化作用等对其混合液体导电率的贡献，总结了各种水热反应条件对硅酸镁锂粉体离子电导率的影响。