表面活性剂条件下硼酸盐的合成、结构及性能研究

Borates are of current interest because of their rich structural chemistry and diverse applications in material chemistry. Currently, the growth of borate crystals is mainly performed using high-temperature solid-state reactions, boric acid flux processes, hydrothermal and solvothermal conditions. New strategies for growing crystalline borates are of importance. Surfactants show several advantages such as low cost, high thermal stability, negligible vapor pressure, and multifunctional properties, and have been widely used to control the shape, size, and pores of nanostructures. However, the use of surfactants as reaction media to grow borate crystals is unprecedented. In this project, a series boron oxides and metal borates with large pores will be obtained by using different organic amines, inorganic cations or transition-metal complexes as structure-directing agents under surfactant media. We will explore the combination of B-O clusters with other B-O clusters or metal ions in different surfactants under reasonable synthetic approaches. Furthermore, we will investigate the thermal stability, adsorption and ion exchange properties of open-framework borates and nonlinear optical (NLO) properties of acentric borates. Furthermore, we will systematically summarize the synthesis conditions, structural features, properties and reveal their internal relation through the experimental results and theoretical calculations. On the basis of the above, this project will not only develop new strategies for growing crystalline borates, but also enrich the contents of zeolite chemistry and inorganic NLO material chemistry.

硼酸盐化合物因其多样的结构和广泛的应用备受关注。目前，硼酸盐晶体主要是通过高温固相法、硼酸熔融法、水热和溶剂热法制备。新的合成路线对硼酸盐的合成意义重大。表面活性剂具有价格便宜、蒸汽压低、热稳定性好和结构多样等优点，已被广泛的应用于控制纳米材料的形状、粒径及孔径。但是，表面活性剂条件下硼酸盐晶体材料的合成研究还未见报道。本项目在表面活性剂条件下，开展空旷骨架硼氧化物和金属硼酸盐材料的合成研究。探索在各种表面活性剂和模板剂条件下，硼-氧簇与其它硼-氧簇/金属离子有效结合的条件。同时对制备的空旷骨架硼酸盐的热稳定性、吸附及离子交换性能进行研究；对制备的具有非对称中心的硼酸盐化合物的二阶非线性光学性能进行研究。在此基础上，实验结果结合理论计算，系统的总结合成条件、结构特点及其性能之间的内在关系和规律。本项目将发展晶态硼酸盐材料的合成新路径，丰富分子筛材料和无机非线性光学材料的研究内容。

具有非心结构的晶态硼酸盐化合物是一种在紫外，深紫外区优异的非线性光学材料。LBO (LiB3O5)和BBO (β-BaB2O4) 是其中最优秀的代表，它们被广泛的应用于光电和激光科学, 它们结构中环状的 (B3O7)5− 和(B3O6)3− 阴离子基团被认为是优异非线性光学性能的原因。新的合成方法对发展新型晶态硼酸盐非线性材料非常重要。表面活性剂通常具有价格便宜、蒸汽压低、热稳定性好和结构多样等优点，最近已被广泛的应用于合成硫族化合物，金属-有机骨架材料和类分子筛材料。但是，表面活性剂条件下硼酸盐晶体材料的合成研究还非常少见。本项目中，在表面活性剂（包括其它有机溶剂）条件下，以有机胺，无机阳离子，金属配合物为模板剂，探索硼-氧簇与其它硼-氧簇/金属离子的合成条件，制备了一系列的硼氧化物和金属硼酸盐化合物。同时对这些硼酸盐的热稳定性、吸附及离子交换性能进行研究；对制备的具有非对称中心的硼酸盐化合物的二阶非线性光学性能进行研究，在此基础上，实验结果结合理论计算，系统的总结合成条件、结构特点及其性能之间的内在关系和规律。发现了多个在深紫外区具有潜在非线性光学应用前景的硼酸盐材料，本项目提供了一种合成晶态硼酸盐材料的新路径，为进一步丰富和发展了分子筛化学和无机非线性光学材料化学。