基于“化学剪”合成策略的层状功能材料的可控制备与物理性能研究

Layered materials have huge potential applications in electronics, photonics, chemical catalysis, sensitive sensor, magnetic storage and other high-tech fields, and have been the hot research topic in the information age. This project intends to achieve the controllable preparation of new layered functional materials with excellent optical and magnetic properties through the "chemical scissors" synthetic strategy. We introduce the p-block cations with a stereochemically active lone-pair of electrons (such as Sn2+, Pb2+, As3+, Sb3+, Bi3+, Te4+, etc.) and halogen ions (such as Cl-, Br-, etc.) together into the synthesis system to adjust the reaction environment according to the different properties of the starting materials，thus "cut" the framework to the lamellar structure or hollow low-dimensional form. In addition, we assemble the inorganic materials with functional doping, such as 1) doped by multi p-block elements with different coordination configurations 2) doped by multi transiton metals with different magnetic properities 3) doped by rare earth elements and transition metals with different functional properties, to further control the structure units and achieve the layered functional materials combined with various experimental methods. We also study their physical properties (in-depth study of optical and magnetic properties). The purpose of this project is to establish and improve the synthetic strategy, optimize the synthesis methods, study the relationships between mechanisms and reaction process, the structure and properties, and finally design and synthesize the layered functional materials with application value.

层状材料在电学、光学、催化、灵敏传感、磁存储等多个高新技术领域存在巨大的潜在应用，是信息时代材料的研究热点。本项目拟通过"化学剪"合成策略，可控制备具有优异光学、磁学性质的新型层状功能材料。在合成体系中同时引入带有孤对电子的p 区阳离子（Sn2+，Pb2+，As3+，Sb3+，Bi3+，Te4+等）和卤素离子（Cl?，Br?等），利用反应起始物的物理化学性质调节反应环境，"剪裁"结构骨架形成片层或中空等低维度形式。同时通过1)不同配位构型的多p 区阳离子掺杂2)不同磁性效应的多过渡金属掺杂3)不同功能性质的稀土元素?过渡金属掺杂等进一步调控结构基元，对无机材料进行功能化组装与复合，结合多种实验手段制备新体系的层状功能材料，着重深入研究其光学、磁学性质。建立并完善合成策略，优化合成手段，开展对反应过程与机制、结构与性能关系规律的研究，在此基础上设计和合成有应用价值的层状功能材料。

层状材料在未来的电子学、光子学、化学催化、灵敏传感、磁存储等多个高新技术领域存在着巨大的潜在应用，是信息时代材料的研究热点。本项目的整体研究思路就是通过“化学剪”合成策略和多种合成方法相结合，利用反应起始物的物理化学性质，通过多种合成方法实现具有特殊结构和出色物理性质的功能材料的制备。研究的意义在于合成与结构化学的多样性以及新型功能材料的特殊应用。本项目的研究内容主要包括以下三个方面：1.利用有效的合成策略，通过选择合适的制备方法，筛选反应原料，摸索实验参数，优化制备条件，逐步建立并完善“化学剪”合成策略，利用起始反应物的物理化学性质调控、剪裁结构骨架，制备新型材料。2.考虑到合成材料的物理化学性质，通过在合成体系进行掺杂，控制不同骨架结构基元的形成，合成过程中就赋予相应的功能，构筑结构新颖的层状材料。3.以开发合成新的层状功能材料为基础，深入理解结构-性质相互关系，探索该类新材料在储能，设计和合成有应用价值的层状功能材料。通过项目的实施，我们用简单反应原料制备得到了结构新颖和良好物理化学性质的化合物，包括CuVTeO5Cl，Cu4V2Te2O11Cl4，Co4V2Te2O11Cl4，Fe3Te2Cl4O6，Fe3Te2Cl3O6。通过XRD衍射研究其结构，并通过多种测试手段研究了其物理方面的性质。此外，我们通过SO42-和SiO44-等官能团取代p区离子，制备出一系列聚阴离子型材料锂离子电池正极材料。通过进一步改性研究，材料的循环稳定性及倍率等电化学性能都得到了显著的提高。通过项目的运行，设计和成功制备得到了一系列有特殊结构和物理性质的化合物。项目组成员发表标注SCI研究论文7篇，包括ACS Appl. Mater. Interfaces，Carbon，RSC Adv.，Applied Surface Science等。