水滑石(LDHs)是一类二维层状阴离子插层材料,由带负电的层间阴离子与带正电荷的主体层板有序组装形成。水滑石具有独特的结构特点,例如主体层板金属元素高度有序均匀分散、层板结构在焙烧过程中具有拓扑转变特性、层间客体阴离子种类和数量可调、晶粒尺寸和层板厚度可控等,其丰富的可调变性衍生出多种水滑石基功能材料。水滑石的拓扑转变特性可以使其通过拓扑转变形成异质金属氧化物或负载型高分散金属催化剂。其中异质金属氧化物间形成的界面被证明是促进电荷分离和电子转移的活性位点。因此,通过水滑石拓扑转变制备具有丰富异质结界面的异质金属氧化物是提高催化活性的一种有效手段。但是,在拓扑转变过程中,异质金属氧化物异质结界面的活性位的形成和转变及其对催化性能的影响并没有得到深入的探讨。此外,利用层间客体离子种类及数量的可调控性,能够将具有催化活性的功能客体阴离子插入水滑石的限域空间内形成插层材料,实现活性组分的高度分散、均匀分散和稳定分散,从而提高催化活性。受主-客体相互作用的几何构型匹配、电荷匹配等因素的影响,对于一些尺寸大或者电荷密度小的客体阴离子,由于其受到水滑石层内空间的限制、与水滑石层板的静电力作用弱等特点,因而,难以插入层间。针对上述的问题与挑战,本论文以水滑石为基础,一方面,利用水滑石主体层板金属元素原子级高度分散和拓扑转变特性,调变Co基LDHs前体的层板金属元素和拓扑转变温度,获得几种高效的异质结构催化剂并实现其异质结构界面和缺陷结构的精准调变,在电催化析氧反应、光催化甲烷活化反应、醇-胺无受体脱氢耦合反应中显示了优异的性能。另一方面,借助水滑石的层间限域效应,分别采用主体层板修饰法和剥离组装法,将较大尺寸的多酸阴离子插层至水滑石的限域空间内,实现多酸水滑石超分子组装,提高多酸的分散度和稳定性,进一步提升其催化活性。论文工作为水滑石基催化材料的设计和结构认识提供了借鉴,具有潜在的理论价值和应用前景。本论文的研究结果如下:1、利用水滑石的结构拓扑转变,以ZnCo-LDH为前体,合成了ZnO和Co3O4的异质金属氧化物,并且ZnO和Co3O4之间形成大量的异质结界面。该工作通过多种光谱学手段对拓扑转变过程中异质金属氧化物和异质结界面的形成及转变进行了深入细致的研究,发现通过调变焙烧温度可实现异质结界面的调控,改变ZnO/Co3O4异质结构的电子环境,进一步提高电解水析氧活性。对不同的焙烧产物的电催化析氧性能进行了评价,随着焙烧温度的升高,电催化析氧性能下降,其中的ZnCo-200性能最优,电流密度为10 mA cm-2时的过电势为370 mV,塔菲尔斜率为54.7 mV/dec,反应12小时候其活性几乎没有下降。通过实验和理论计算相结合的手段,证实ZnO和Co3O4之间的异质结界面可以降低能带间隙,促进电子传递,进而提高了材料的电解水析氧性能。该研究将从分子水平上加深对LDHs拓扑转变的认识,为可控合成高性能催化剂,精细调控异质结界面及认识构-效关系开辟一条新的途径。2、针对光催化甲烷活化反应中MgO光催化剂存在对H+的吸附太弱、在紫外区域对光有吸收等缺陷,以MgCo-LDH为前驱体,通过调节不同的拓扑转变温度,构筑Co3O4分散的MgO基光催化异质结构催化材料,从而提高光催化甲烷活化反应活性。在全波段光照下,H2O用量为50 μL和反应时间为3 h时,MgCo-800对产物乙烷的选择性达到最大(～42%)。多种谱学表征证实:MgO被Co3O4高度分散,金属元素Co掺杂至MgO晶格内实现对MgO基光催化剂的改性,提高甲烷的活性和产物乙烷的选择性。3、以 MgCo-LDH、CoCo-LDH 和 ZnCo-LDH 为前体,通过拓扑转变得到了晶粒尺寸小、高活性晶面暴露的Co304纳米片,并将该Co 基异质结构催化剂(MgCo-MMO、CoCo-MMO 和 ZnCo-MMO)在醇-胺无受体脱氢耦合反应中,获得了良好的催化活性。ZnCo-MMO的催化性能最优,在18 h内可以实现大于99.9%的亚胺产率,并伴随着清洁能源氢气的生成。实验及理论计算表明,催化剂中存在Co3O4充分暴露的(112)高活性晶面和横向异质结构,而这些异质结构界面处的位点通常被认为是反应过程中促进电荷分离和电子转移的活性位点,可以降低反应能垒,因此二者的协同作用提高了催化活性。4、为实现串联反应的顺利进行,简化合成途径、减少生产浪费、节约能源消耗,设计并构筑具有空间隔离的多活性位点催化剂以分步催化不同的反应是一种有效的方法。结合水滑石材料丰富的表面碱性位点和多酸化合物强的氧化还原和电子快速转移能力,设计并制备新型的多酸插层水滑石双功能催化剂用于醇氧化-Knoevenagel缩合串联反应中。以Tris-LDH-Zn4(PW9)2作为催化剂,苯甲醇和氰基乙酸乙酯为反应底物,H202为氧化剂,乙腈为溶剂,80℃下进行反应6 h,可以实现缩合产物99%的产率。一方面借助于水滑石层板和多酸的静电作用、氢键作用,限制多酸在限域空间内的流动,从而促进其分散性和稳定性,提高醇氧化反应的活性和选择性,另一方面利用水滑石主体层板上丰富的碱位点进行Knoevenagel缩合反应,二者的协同作用提高了串联反应的活性和选择性。5、为提升传统的多酸插层结构催化剂在液固反应体系中传质效率,在剥离组装法构筑的多酸插层水滑石催化剂的基础上,在水滑石主体层板上共价修饰离子液体,制备多酸插层离子液体共价修饰水滑石新型材料。将所设计的材料应用于深度氧化脱硫反应中,Mg3Al-IL-EuW10在双氧水的激活的温和条件下25分钟内将含硫底物完全脱除。借助于离子液体优异的萃取含硫底物的特性,提高了催化活性位与含硫底物的可接近性,提高反应效率。