近日，我院矿物能源和环境材料课题组（简称矿物材料课题组、ME2Group）牛继南老师指导研究生围绕水滑石类材料的结构调控及其能源与环境应用开展研究，相关成果先后发表于英国皇家化学会旗下期刊《EES Catalysis》（JCR Q1区，影响因子9.8）和《Journal of Materials Chemistry A》（JCR Q1区，影响因子9.2）。两项研究分别面向碱性水电解析氧和水体深度除氟，展示了水滑石材料在清洁能源转化与污染物治理领域的应用潜力。
水滑石是一种由带正电荷的金属氢氧化物片层和层间阴离子组成的层状矿物材料。其层板金属组成、层间阴离子和微观堆垛结构均可调控，因而能够同时服务于电催化、吸附分离和环境治理等不同应用。针对水滑石材料在实际应用中存在的活性位点利用不足、界面结构复杂和运行过程中结构演变不清等问题，研究团队分别从多金属异质界面构筑和层间微环境调控两个方向开展研究。
在能源应用方面，硕士研究生智明阁等采用一步水热法，在泡沫铜表面原位构筑了NiZnCuCoMnFe六金属水滑石/Co–Mn氧化物异质结构电极。研究发现，不同金属离子的水解、氧化和沉淀行为差异，使材料形成了六金属水滑石纳米片、Co/Mn氧化物或羟基氧化物以及Cu/Cu₂O/CuO界面共同组成的复杂结构。由此，原本通常被视为合成缺陷的“非理想生长”和组分偏析，被转化为构筑多组分异质界面和强化电极—基底结合的有效途径。
所得电极在碱性析氧反应中表现出良好的催化活性，在10 mA cm⁻²电流密度下仅需181 mV的过电位，并可在50 mA cm⁻²条件下长时间运行。该研究揭示了多金属水滑石在导电金属基底上的非理想原位生长与运行态重构行为，说明组分自分离并不一定是不利因素。通过合理利用不同金属的反应差异，可以构筑界面结合紧密、具有良好催化活性和运行稳定性的多金属整体式电极，为复杂多金属水滑石电催化材料的设计提供了新的思路。该成果发表于《EES Catalysis》，论文题目为“In situ self-segregation construction of a six-metal LDH/Co–Mn-oxide heterostructure on copper foam for alkaline oxygen evolution”。
六金属水滑石基异质结构的构筑及析氧性能示意图
在环境应用方面，研究生姚超耀等针对传统水滑石层间碳酸根结合牢固、阴离子交换活性不足的问题，提出了甲醇辅助机械化学活化与硝酸根交换相结合的结构调控方法。该方法能够扰乱CoAl水滑石片层的有序堆垛，削弱层间水化环境对氟离子进入层间的阻碍，并形成有利于氟离子捕获的活性层间空间。在初始氟离子浓度为10 mg/L、吸附剂用量为0.5 g/L、初始pH为7.0的条件下，优化后的Co₃Al₂-MN-LDH对氟离子的去除率达到94.89%，约为未经活化的水洗样品的4倍。其Langmuir最大吸附容量达到58.78 mg/g，在近中性条件下表现出具有竞争力的氟离子吸附性能。
该研究表明了碳酸根插层造成的LDH“层间锁定”问题，不一定需要通过高温煅烧—重构等方式破坏原有层板结构。通过调控交换介质的溶剂环境，可在基本保持金属氢氧化物层板稳定的同时，改变层间阴离子组成、溶剂化状态和堆垛方式，从而释放原本难以利用的内部吸附位点。该成果拓展了溶剂辅助阴离子交换在机械力化学LDH中的应用，并为中性含氟水体，特别是可进行溶剂制备和过程安全控制的工业含氟废水处理，提供了新的材料设计思路，发表于《Journal of Materials Chemistry A》，论文题目为“Methanol-mediated turbostratic activation of CoAl-LDHs for high-efficiency fluoride capture: a solvent-exclusion mechanism”。
甲醇辅助水滑石活化及氟离子捕获示意图
两项研究虽然分别面向能源催化和水环境治理，但体现出共同的材料设计思想：不再将水滑石视为静态、理想的层状晶体，而是通过调控其多金属组成、层间微环境、异质界面及运行过程中的动态重构，建立材料真实结构与功能之间的联系。相关研究进一步拓展了水滑石材料在绿色制氢和含氟水处理领域的应用，也体现了矿物源层状材料在能源与环境交叉领域的研究价值。
两篇论文均以中国矿业大学材料与物理学院为第一完成单位。研究生智明阁、姚超耀分别为相关论文第一作者，牛继南、冯培忠和西班牙瓦伦西亚理工大学Hermenegildo Garcia教授为共同通讯作者。
论文链接：
1. Mingge Zhi, Jinan Niu* et al. In situ self-segregation construction of a six-metal LDH/Co–Mn-oxide heterostructure on copper foam for alkaline oxygen evolution. EES Catalysis, 2026, 4, 921–934. https://doi.org/10.1039/D6EY00071A（论文PDF）
2. Chaoyao Yao, Jinan Niu* et al. Methanol-mediated turbostratic activation of CoAl-LDHs for high-efficiency fluoride capture: a solvent-exclusion mechanism. Journal of Materials Chemistry A, 2026. https://doi.org/10.1039/D6TA05412A（论文PDF）
新闻来源：材料与物理学院
责任编辑：牛继南
一审一校：鞠治成
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