层状双金属氢氧化物（layered double hydroxide，简称LDH）是土壤中重金属元素（如Co、Ni、Zn、Cd、Fe）的重要存在形态。碱性环境中，重金属离子吸附在矿物-溶液界面上，与从矿物中溶出的铝离子共沉淀，形成LDH。与重金属在土壤中的其它存在形态（如氢氧化物和碳酸盐）相比，LDH具有更低的溶解度和更高的稳定性，能有效重金属原子迁移转化和生物有效性。因此，深入理解界面诱导形成的LDH，包括化学组成、结构、形态、热力学等对重金属环境风险预测、环境修复等具有重要意义。
本研究选取在环境条件下（如pH=7.5）用共沉淀法合成的Co-、Ni-、Zn-、CoNi-、CoZn-、NiZn-和CoNiZn-Al LDH为研究对象，利用傅里叶红外（FTIR）光谱、X射线衍射（XRD）光谱、同步辐射扩展X-射线吸收精细结构（EXAFS）光谱、原子对分布函数分析（PDF）和27Al固体核磁共振（NMR）光谱，详细研究了合成LDH化学组成和结构。选用人工合成LDH为研究对象能有效规避界面体系复杂性带来的研究困难，有利于对LDH化学和微观结构的深入理解。本研究取得主要认识如下：（1）Co、Ni和Zn能共同进入单个LDH颗粒中，形成多金属LDH（如CoNiZn-Al LDH）；（2）所有合成LDH均具有典型的金属八面体片层和阴离子层间。Co、Ni和Zn对层间阴离子的种类（如CO32-和NO3-）和排布具有选择性，从而导致八面体片层在z轴方向上无序堆积，降低LDH的结晶度。（3）层板中，Co、Ni、Zn和Al分布呈现出一定的无序性，出现铝八面体的局部聚集（图1）。这种阳离子无序性预示着LDH的生成路径可能是：铝优先水解形成氢氧化铝的团簇，随后二价金属离子扩散进入铝的团簇中，再经过结构调整形成LDH。本研究的结果为认识界面吸附形成的LDH结构和形成机制提供了依据，并强调了自然环境中多金属LDH形成的潜力。
图1多种先进谱学技术联合表征LDH结构
本研究成果近期以Long-range and Short-range Structures of Multimetallic Layered Double Hydroxides为题发表在国际物理化学重要期刊The Journal of Physical Chemistry C（JPCC, IF=4.1）。论文第一作者为南京大学表生地球化学教育部重点实验室博士后苟文贤，李伟教授为该论文的通讯作者。本研究得到国家重点研究计划（2020YFC1808001）、国家自然科学基金（42003004、41977267）、国家重点研发计划（2020YFC1808001）、南京大学登峰计划和青年计划的资助。
论文DOI：10.1021/acs.jpcc.2c00121
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.2c00121