納米材料前沿：稀土納米材料

第1章緒論001
劉志偉，卞祖強(qiáng)，黃春輝
（北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院）
1.1　稀土元素簡(jiǎn)介 002
1.1.1　稀土元素的概念 002
1.1.2　稀土元素的電子結(jié)構(gòu) 002
1.1.3　稀土元素的價(jià)態(tài) 003
1.1.4　稀土元素的化學(xué)鍵 005
1.1.5　稀土元素的半徑 006
1.2　稀土化合物的性質(zhì) 008
1.2.1　稀土化合物的發(fā)光性質(zhì) 008
1.2.2　稀土化合物的磁學(xué)性質(zhì) 012
1.3　稀土化合物納米材料及其應(yīng)用 017
1.3.1　稀土有機(jī)- 無(wú)機(jī)雜化發(fā)光納米材料 017
1.3.2　白光LED 稀土發(fā)光材料 018
1.3.3　稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料 019
1.3.4　稀土單分子磁體 020
1.3.5　稀土巨磁電阻材料 021
1.3.6　稀土催化材料 022
1.3.7　稀土電化學(xué)能源材料 023
參考文獻(xiàn) 024

第2章稀土有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化發(fā)光納米材料027
李煥榮，李志強(qiáng)，張洪杰
（河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所）
2.1　概述 028
2.1.1　稀土離子的光譜性質(zhì) 028
2.1.2　有機(jī)- 無(wú)機(jī)雜化材料的特點(diǎn) 033
2.1.3　有機(jī)- 無(wú)機(jī)雜化材料的分類(lèi) 034
2.1.4　稀土有機(jī)- 無(wú)機(jī)雜化材料研究的發(fā)展歷程 035
2.2　稀土有機(jī)- 無(wú)機(jī)凝膠雜化發(fā)光材料 036
2.3　稀土有機(jī)- 無(wú)機(jī)微孔雜化發(fā)光材料 039
2.4　稀土有機(jī)- 無(wú)機(jī)介孔雜化發(fā)光材料 049
2.5　稀土有機(jī)- 無(wú)機(jī)高分子雜化發(fā)光材料 054
2.5.1　單一體系 054
2.5.2　復(fù)合體系 056
2.6　稀土有機(jī)- 無(wú)機(jī)多功能雜化材料 058
2.7　其他稀土有機(jī)- 無(wú)機(jī)雜化發(fā)光材料 059
2.7.1　稀土配合物插層發(fā)光材料 060
2.7.2　稀土配合物- 離子液體雜化發(fā)光材料 063
參考文獻(xiàn) 065

第3章白光LED稀土發(fā)光材料073
尤洪鵬
（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所）
3.1　概述 074
3.1.1　白光LED 的發(fā)光原理 075
3.1.2　白光LED 稀土發(fā)光材料的特性 077
3.2　鋁酸鹽體系發(fā)光材料 079
3.2.1　YAG：Ce3+ 系列發(fā)光材料 079
3.2.2　Sr3AlO4F：RE（RE=Eu，Tb，Er，Tm，Ce）系列發(fā)光材料 081
3.2.3　LaSr2AlO5：Ce3+ 黃色發(fā)光材料 083
3.2.4　BaAl2O4：Eu2+黃色發(fā)光材料 084
3.3　硅酸鹽體系發(fā)光材料 086
3.3.1　Li2SrSiO4：Eu2+發(fā)光材料 088
3.3.2　Ca3Sc2Si3O12：Ce3+ 發(fā)光材料 089
3.3.3　(Ca,Sr)7(SiO3)6Cl2：Eu2+發(fā)光材料 090
3.3.4　K2Ba7Si16O40：Eu2+發(fā)光材料 091
3.4　磷酸鹽體系發(fā)光材料 093
3.4.1　稀土摻雜的ABPO4 095
3.4.2　Sr3GdNa(PO4)3F：Eu2+,Mn2+ 097
3.4.3　Ba3LaNa(PO4)3F：Eu2+,Tb3+ 098
3.5　氮（氧）化物發(fā)光材料 099
3.5.1　SrAlSi4N7：Eu2+發(fā)光材料 102
3.5.2　M[LiAl3N4]：Eu2+(M=Sr，Ca) 發(fā)光材料 103
3.5.3　(Ca， Sr)[Mg3SiN4]：RE 發(fā)光材料 105
3.6　白光LED 稀土發(fā)光材料的應(yīng)用 107
3.6.1　Ce3+ 激活的稀土石榴石基發(fā)光材料 107
3.6.2　Eu2+激活的堿土硅酸鹽發(fā)光材料 109
3.6.3　Eu2+激活的氮化物發(fā)光材料 110
3.6.4　Eu2+激活的氮氧化物發(fā)光材料 115
參考文獻(xiàn) 119

第4章稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料133
李富友
（復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系）
4.1　概述 134
4.1.1　稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的幾種上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制 134
4.1.2　稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的組成 137
4.1.3　影響上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率的因素 139
4.1.4　影響上轉(zhuǎn)換發(fā)射顏色的因素 140
4.2　稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的制備方法 143
4.2.1　水熱/ 高沸點(diǎn)溶劑熱法 143
4.2.2　高溫?zé)岱纸夥?144
4.2.3　其他方法 144
4.3　稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的表面修飾 145
4.3.1　兩步法合成親水的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料 145
4.3.2　一步法合成親水的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料 148
4.3.3　稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的表面功能化 149
4.4　稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 151
4.4.1　在分子檢測(cè)中的應(yīng)用 151
4.4.2　在細(xì)胞和活體熒光成像上的應(yīng)用 152
參考文獻(xiàn) 164

第5章場(chǎng)發(fā)射顯示器用稀土發(fā)光材料171
林君，程子泳
（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所）
5.1　概述 172
5.1.1　場(chǎng)發(fā)射顯示器的工作原理及研究進(jìn)展 173
5.1.2　場(chǎng)發(fā)射顯示對(duì)發(fā)光材料的要求 175
5.1.3　FED 常用的發(fā)光材料 176
5.2　FED 用發(fā)光材料的合成 177
5.2.1　Pechini 溶膠- 凝膠法 178
5.2.2　沉淀法 180
5.2.3　水熱/ 溶劑熱法 182
5.2.4　靜電紡絲法 185
5.2.5　噴霧熱解法 187
5.2.6　構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu) 188
5.3　FED 用發(fā)光材料的性能調(diào)控與優(yōu)化 190
5.3.1　材料組分的優(yōu)化 190
5.3.2　導(dǎo)電性的提高 193
5.3.3　穩(wěn)定性的提高 208
5.4　薄膜和圖案化FED 發(fā)光材料 210
5.4.1　軟石印技術(shù) 211
5.4.2　噴墨打印法 214
5.5　總結(jié)與展望 217
參考文獻(xiàn) 217

第6章稀土單分子磁性材料223
唐金魁，張鵬，王炳武，高松
（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所，
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院）
6.1　單分子磁體的理論基礎(chǔ) 226
6.1.1　弛豫動(dòng)態(tài)學(xué) 226
6.1.2　各向異性能壘 232
6.2　稀土單分子磁體 235
6.2.1　鑭系離子的磁學(xué)性質(zhì) 236
6.2.2　靜電排斥模型 238
6.2.3　理論計(jì)算 240
6.2.4　先進(jìn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法 241
6.3　稀土單離子分子磁體 247
6.3.1　量子隧穿 248
6.3.2　雙酞菁夾心稀土單離子分子磁體 249
6.3.3　多酸類(lèi)稀土單離子分子磁體 251
6.3.4　β - 二酮類(lèi)單離子分子磁體 252
6.3.5　金屬有機(jī)類(lèi)單離子分子磁體 254
6.4　雙核稀土單分子磁體 256
6.4.1　N23- 自由基橋聯(lián)的雙核稀土單分子磁體 257
6.4.2　源于酰腙配體的不對(duì)稱雙核稀土單分子磁體 258
6.4.3　各向異性磁相互作用 258
6.4.4　橋聯(lián)配體的選擇 260
6.5　多核稀土單分子磁體 262
6.5.1　單分子磁環(huán)（SMT） 262
6.5.2　高能壘多核稀土單分子磁體 265
參考文獻(xiàn) 267

第7章稀土巨磁電阻材料277
孟健，劉孝娟
（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所）
7.1　巨磁電阻效應(yīng) 278
7.2　稀土在設(shè)計(jì)半金屬性（half-metal）巨磁電阻材料中的特殊應(yīng)用 279
7.3　HM稀土巨磁電阻材料的計(jì)算機(jī)理論模擬 280
7.3.1　密度泛函理論概述 280
7.3.2　LDA+U 及GGA+U 法 284
7.3.3　稀土誘導(dǎo)的半金屬性質(zhì)及其對(duì)磁性的微調(diào)諧 285
7.3.4　稀土對(duì)擴(kuò)展超交換磁耦合強(qiáng)度的微調(diào)諧 288
7.3.5　外延應(yīng)力對(duì)HM 稀土巨磁電阻材料的性能影響 290
7.4　稀土在巨磁電阻材料中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究 293
7.4.1　陽(yáng)離子有序度的微調(diào)控 293
7.4.2　陽(yáng)離子有序度對(duì)磁耦合性能的影響 299
7.5　稀土對(duì)磁介電材料結(jié)構(gòu)及電性能的影響 301
7.5.1　稀土離子鑭系收縮對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)的影響 301
7.5.2　稀土鑭系收縮對(duì)介電性能的影響 305
參考文獻(xiàn) 307

第8章稀土陶瓷材料313
施偉東，宋術(shù)巖
（江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，中國(guó)科
學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所）
8.1　稀土在陶瓷中的作用機(jī)理 314
8.2　稀土改性超導(dǎo)陶瓷 316
8.3　稀土改性壓電陶瓷 318
8.4　稀土改性導(dǎo)電陶瓷 319
8.5　稀土改性介電陶瓷 320
8.6　稀土改性敏感陶瓷 321
8.7　稀土改性透明陶瓷 323
8.8　稀土陶瓷在其他方面的應(yīng)用 325
參考文獻(xiàn) 326

第9章稀土催化材料329
宋衛(wèi)國(guó)，曹昌燕
（中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所）
9.1　稀土元素在催化劑中的作用機(jī)理 330
9.2　稀土催化劑在工業(yè)廢氣凈化中的應(yīng)用 332
9.2.1　稀土催化劑在煙氣脫硫、脫硝中的應(yīng)用 333
9.2.2　稀土催化材料在工業(yè)廢氣和人居環(huán)境凈化中的應(yīng)用 334
9.3　稀土催化劑在汽車(chē)尾氣凈化中的應(yīng)用 338
9.3.1　儲(chǔ)放氧材料 339
9.3.2　碳?xì)涞蜏仄鹑即呋瘎?339
9.3.3　碳煙氧化催化劑 340
9.3.4　NH3-SCR催化材料 341
9.4　稀土催化劑在光催化環(huán)境凈化中的應(yīng)用 342
9.4.1　在氣相污染物光催化凈化中的應(yīng)用 343
9.4.2　在光催化氧化水體中有機(jī)污染物中的應(yīng)用 345
9.4.3　在滅菌殺毒中的應(yīng)用 346
參考文獻(xiàn) 347

第10 章稀土電化學(xué)能源材料353
林靜，梁飛，王立民，常志文，張新波
（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所）
10.1　稀土納米材料在鎳氫電池中的應(yīng)用 354
10.1.1　鎳氫電池的工作原理 354
10.1.2　稀土納米材料在鎳氫電池負(fù)極材料中的應(yīng)用 355
10.1.3　鎳氫電池負(fù)極材料的回收 356
10.2　稀土納米材料在鋰電池中的應(yīng)用 358
10.2.1　鋰離子電池的工作原理 358
10.2.2　稀土摻雜在鋰離子電池電極材料中的應(yīng)用 359
10.2.3　稀土納米材料在鋰-空氣電池中的應(yīng)用 360
10.3　 稀土納米材料在固體氧化物燃料電池中的應(yīng)用 365
10.3.1　固體氧化物燃料電池的工作原理 365
10.3.2　稀土在電解質(zhì)材料中的應(yīng)用 366
10.3.3　稀土在陰極材料中的應(yīng)用 367
10.3.4　稀土在陽(yáng)極材料中的應(yīng)用 368
10.3.5　稀土在連接材料中的應(yīng)用 368
10.4　稀土納米材料在超級(jí)電容器中的應(yīng)用 368
參考文獻(xiàn) 371

索引 375