微纳尺度下功能无机材料的表面与界面物理化学

利用化学键思想和液相化学反应手段，深入研究功能无机材料由组成离子到胶粒中间相、再到结晶相过程中所体现的界面问题，通过对界面问题的化学物理方法处理实现优化材料表面结构及其光电功能特性的目的。申请人选取了MnO2、Cu2O、KH2PO4和NH4H2PO4等结构和组成化学键典型，电化学、光催化和非线性光学性能优良的功能无机化合物为研究对象。在实验研究方面，拟采用低温（-30至0度）、室温、30至100度、100至200度等温度区间通过原位红外光谱等测试跟踪手段研究胶粒中间相表面层和结晶相生长界面层的离子聚集行为，利用配位化学的原理和方法通过对有机和无机配体的合理筛选实现对其表面层和界面层的发育控制。在理论研究方面，拟从结晶相界面处的原子微观分布特征及其化学键合结构，建立结晶相界面层在任意结晶学方向上的化学键合模型与计算方法，定量描述胶粒相和结晶相在任意表面和结晶界面处的热力学和动力学因素与本质。

Herbert Kroemer在其2000年诺贝尔演讲中指出"Often, it may be said that the interface is the device”。在微纳尺度下，功能无机材料的表面与界面物理化学的重要性显得尤为突出。我们利用化学键合思想和液相化学反应设计手段，初步研究了功能无机材料在结晶和应用过程中所体现出来的表/界面物理化学问题，成功地处理了一些较为突出的表/界面结晶生长问题，从而实现了优化材料表/界面结构及其电化学储能特性的目的。该工作总结选取MnO2、Cu2O、KH2PO4和NH4H2PO4、石墨烯等结构和组成化学键典型、电化学性能优良的功能无机化合物为例。在理论研究方面，我们建立了52种元素不同价态和水合结构的溶液相电负性标度，进一步拓展了电负性概念并将其应用于无机材料的机械性能和光电性能计算上；我们更加深化了结晶相界面处的化学键合模型与计算方法，进一步完善了结晶生长的化学键合理论并将其应用于铌酸锂大尺寸晶体生长的实践中。在实验研究方面，我们针对铜元素的存在状态，深入开展了Cu、Cu2O和CuO的化学反应设计与结晶控制研究，获得了通过化学反应路线实现结晶控制的宝贵经验。我们将其成功应用于多相MnO2颗粒的制备与超级电容器电极性能优化，以及石墨烯折叠结构的制备与电化学储能特性提高方面。. 通过该项目的实施，我们发现金属离子的水合离子电负性标度可以揭示金属离子在水溶液中的化学反应活性和在相转变过程中的结晶性能差异的本质。采用化学反应路线设计的策略，我们可以有效调整溶液中金属离子的存在状态，从而调整其在结晶相变过程中的化学键合行为，实现材料的表/界面结构设计。我们发现材料的电化学储能特性与其表/界面结构特征密切相关，我们可以通过设计材料的表/界面结构实现其储能特性的提升。