无机-有机超分子层状光特性材料之组装及特性-试验与理念研究

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1、无机/有机超分子层状光特性材料之组装及特性:试验与理念研究第一章绪论1.1超分子化学及超分子结构功能材料超分子化学概念的提出也使科学家的研究视野从单个分子拓展到分子组装体和聚集态。1987年，Jean-MarieLehn、DonaldJ.Cram和CharlcsJ.Pedersen三位超分子化学领域的先驱获得诺贝尔化学奖，引领了崭新的超分子化学及其相关材料(如冠醚，环糊精，杯芳烃等)研究时代的到来。进入上世纪90年代后，随着超分子化学研究工作的不断深入，其涉及范围也不断向能源，化工，材料学，生命科学，环境科学，信息科学等各交叉学科延伸，并为化学化工领域研究工创造新物质和新

2、材料提供了无限的研究思想和发展空间。例如，超分子化学与材料化学互相渗透，将客体分子引入主体结构(零维：富勒烯；一维：碳纳米管；二维：插层材料；三维：沸石)孔道内部，基于主客体相互作用可以设计合成各种超分子聚集体和组装体，从而为新型超分子材料和超分子器件提供了研究基础，超分子材料作为一种新型的现代实用材料，在很多行业均有着广泛的用途。如超分子生物体材料，液晶材料，其中具有代表性的还有超分子光电化学开关，超分子离子器件等[2]。开发的新型超分子材料具有与光物理和电化学功能类似的逻辑特征，即按照分子识别模式，在超分子尺度上进行信息处理，通过光子，电子，离子和分子异构化转变为其他

3、信号，从而实现了信息读入和输出，对信息和物理学元件向微型化发展具有深远影响。1.2插层组装化学与插层结构材料超分子化学和相关材料的发展为研究人员提供了一条基于分子间聚集体形态创造新物质的途径。在超分子化学中，传统的化学合成被组装和分子识别所替代，各种新型的功能集成组装体系可通过分子间的自组装和自识别得到。超分子化学的设计原理和组装方法学也不断向化工，能源，环境和材料科学等领域渗透，并带动了相关学科的发展。例如，近些年在化学工程领域主流学术刊物《AIChEJounal》上，不断有基于超分子化学组装材料应用于化工和工程材料的研究工作涌现[3,4]。其中，无机超分子插层组装化学

4、和插层材料便是超分子化学和材料化学工程融合的一门交叉学科，它是集基础研究和工业应用为一体的新兴领域[5]。由于插层结构构筑单元以及主体层板与层间客体的多样性和可调性，使其具有极大的结构设计空间，可广泛应用于国民经济的众多领域和行业，如化工，轻工，电子，信息，军工，环保，功能材料等。其具有极大的化学工业关联度，近年来引起了学术界和产业界的高度重视[6]。其在国民经济中发挥着越来越重要的战略作用，例如为适应我国环境保护的要求，由插层组装原理设计得到的插层材料作为新型阻燃剂，热稳定剂等，成为建筑，交通，航天等领域中不可缺少的化学功能助剂[7]。1.3水滑石类化合物简介1.3.1

5、LDHs结构水滑石类化合物是一类典型的阴离子型粘土，其主体层板由二元或多元金属氢氧化物构成，因此又可称为层状复合金属氢氧化物(LayeredDoubleHydroxide，简称LDH)，LDH包括水滑石(Hydrotalcite)和类水滑石(Hydrotalcite-likepound)，其插层化合物称为插层水滑石[8]。在LDH结构中二价和三价金属离子的氢氧化物相互间高度分散并以共价键构成主体层板，且富含正电荷；层间阴离子有序排布，以静电力平衡主体层板电荷，两者有序排列而形成三维晶态结构，以二元LDHs为例，其基本的化学组成可表示为[MII1-xMIIIx(OH)2]z

6、+Anz/n•yH2O,其中MII和MIII为二价和三价金属离子，An–为层间n价阴离子，x为M3+/(M2++M3+)摩尔比，y为结晶水的数量，其典型的结构模型如图1-1所示。近年来，由于超分子化学和插层组装概念的提出和发展，研究人员对LDHs体系的结构有了更为深入的理解。LDHs主体层板以共价键方式结合，层间则存在弱相互作用力，主体层板与客体分子间主要通过库伦静电力，氢键以及范德华相互作用结合，并以有序方式排列形成超分子结构复合材料。由于主体层板内的二价和三价金属离子的种类、比例、电荷密度以及层间客体分子可人为设计并调控，且其合成及组装具有多样性

7、，因此引起了国际上超分子结构材料和晶态功能材料研究领域的广泛兴趣和高度重视，在选择性吸附、分离、催化、医药、电化学、光化学、磁性材料等领域存在广阔的应用前景[9,10]。LDH插层材料作为超分子材料应用于化学工业和工程技术领域的代表，已经迈入了产业化和工业化发展，这在当前的超分子化学材料研究中是不多见的[11]。在此基础上，基于超分子组装化学原理，围绕LDH材料主客体结构设计，充分利用其二者丰富的可调变性来实现性能和功能强化，并构建具有新型的先进功能材料和智能材料，有望实现系列超分子功能材料未来的实际工业化和产业化应用。第二章