無機化學前沿綜述

＊徐子謙

（廈門大學化學化工學院 福建 361005）

無機化學前沿綜述

＊徐子謙

（廈門大學化學化工學院 福建 361005）

作為化學學科里其它各分支學科的基礎學科，近年來，無機化學的研究取得了較為突出的進展，主要表現(xiàn)在結構敏感催化材料的設計合成、高效能源材料、非線性光學晶體材料、分子篩及多孔材料、稀土化合物功能材料和先進碳材料等方面。本文就當代無機化學的上述前沿研究作以綜述。

無機化學；研究前沿；研究綜述

1.無機化學前沿概述

依照國家自然科學基金委員會組織所著《無機化學學科前沿與展望》，無機化學是研究無機物質的組成、結構、反應、性質和應用的科學，是化學科學中歷史最悠久的分支學科。其研究對象涉及元素周期表中的所有元素，從分子、團簇、納米、介觀、體相等多層次、多尺度上研究物質的組成和結構以及物質的反應與組裝，探索物質的性質和功能，涉及到物質存在的氣、固、液、等離子體等各種相態(tài)，具有研究對象和反應復雜、涉及結構和相態(tài)多樣以及構效關系敏感等特點。

無機化學學科在自身發(fā)展中不斷與其他學科交叉與融合，形成了以傳統(tǒng)基礎學科為依托、面向材料和生命的發(fā)展態(tài)勢，其學科內涵大為拓展。當前無機化學學科還緊密結合特有資源優(yōu)勢和國家重大需求，產生了一批有著特色的分支學科。目前，無機化學學科已形成了豐產元素化學、無機合成化學、無機材料化學、配位化學及分子材料和器件、固體化學及功能材料、生物無機化學，金屬有機化學、團簇化學、無機納米材料和器件、稀土化學及功能材料、核化學和放射化學、物理與理論無機化學等分支學科。隨著化學科學和相關科學的發(fā)展，無機化學與其他化學分支學科的界限將會日益模糊，無機化學與物理化學、材料科學、生命科學和信息科學等學科的交叉將更加活躍，從而將形成更多的重要交叉學科分支。

其中，無機材料化學與固體化學密切相關，屬于化學與材料、能源、環(huán)境、信息等科學的交叉學科。無機材料化學研究包括：金屬、氧化物結構敏感催化材料的設計合成，高效能源材料，非線性光學晶體材料，分子篩及多孔材料，稀土化合物功能材料，無機有機雜化材料，先進碳材料等研究方向。

2.無機化學前沿具體內容

(1)結構敏感催化材料的設計合成

結構敏感材料是其功能對原子的空間排列變化敏感的材料。通過對結構敏感材料的研究，可以歸納和總結出化合物的物理化學性質、原子的空間排列以及電子結構之間的內在規(guī)律，為開發(fā)新型功能材料提供理論基礎。結構敏感材料將主要研究晶態(tài)材料的光、電、磁性能變化與原子空間排列變化之間的內在聯(lián)系，光、電、磁性能取決于材料的電子行為，如光學與電子的自旋運動和軌跡運動有關，電學與材料中載流子的輸運或電荷極化有關，而材料的電子結構主要取決于原子的空間排列。

在催化領域，金屬、氧化物固體催化劑占重要地位，它們廣泛應用于石油化工、精細化工、環(huán)保催化、生命及生物化學等領域，在催化反應中表現(xiàn)出很高的活性和選擇性。例如，用于石油重整的Pt/Al2O3、Pt-Re/Al2O3和Pt-Sn/Al2O3催化劑；用于選擇性加氫的Pt/Al2O3催化劑；用于異構化反應的Pt/分子篩和Pt/固體酸催化劑；用于氧化反應的Ag和Au催化劑；用于可見光型光催化的氧化物材料等。這些金屬、氧化物催化劑的微觀結構和性質密切相關，催化劑的活性中心結構決定了催化性能，體現(xiàn)出很高的結構敏感性。因此，金屬、氧化物結構敏感催化材料的設計合成尤為重要。

李亞棟研究組利用金屬離子與表面活性劑分子間普遍存在的離子交換與相轉移原理，通過對不同界面處化學反應的控制，根據(jù)“液體-固體-溶液”的相轉移、相分離機制，成功制備了貴金屬（如Pd、Ag、Pt、Au、Rh）、半導體（CdS、PbS、ZnSe、Ag2S、ZnS、CdSe、TiO2）、磁性（CoFe2O4等）、介電、熒光納米晶與有機光電子半導體、導電高分子及羥基磷灰石生物醫(yī)學材料等系列尺寸均一、單分散功能納米晶。在“液體-固體-溶液”相轉移、相分離機制的基礎上，將該方法進一步應用于具有不同維度納米晶的合成，并對其形成機制進行深入探討。例如，合成自組裝的超薄氧化物納米晶，基于Au的復合磁性納米結構敏感材料等?！凹{米晶合成的通用策略”引起了國內外同行的廣泛關注。

錢逸泰研究組將水熱合成技術進一步擴展，把通常用于制備分子篩的溶劑熱合成法發(fā)展到在有機溶劑體系中實現(xiàn)無機化學反應，使溶劑熱合成技術發(fā)展成一種重要的固體合成方法，創(chuàng)造性地發(fā)展了有機相中的無機合成化學，成功地制備了GaN、InAs、InP、BN(Ⅲ-Ⅴ族)、金剛石、碳納米管、SiC及CdSe、CdS、In2O3、Bi2S3(Ⅱ-Ⅵ族)等重要的光催化結構敏感材料。

材料的磁性性能與其結構緊密相關，由于分子鐵磁性在磁學和制備加工等方面比離子型、合金類鐵磁體具有更為優(yōu)良的性能，已成為當今化學和物理學研究的重要前言領域。高松研究組結合分子設計合成與各種物理方法，系統(tǒng)研究了分子固體中磁性離子的相互作用、磁弛豫、磁有序等與分子結構、晶體結構、單分子各向異性等的關系。選擇磁各向異性大的金屬離子，以疊氮橋傳遞磁作用，并采用合適的端基配體使鏈間隔開，在國際上首次設計合成了同自旋的“單鏈磁體”，以及由氰根、疊氮、二氰胺、氰胺、甲酸等短橋連接構建的異金屬（3d-4f，3d-3d，3d-4d）磁鐵、混橋雜化磁體、微孔磁體、不對稱“三原子單橋”構筑分子弱鐵磁體等，系統(tǒng)研究了其磁相態(tài)與結構的關系。發(fā)現(xiàn)一些弱作用體系外磁場依賴慢的磁弛豫行為，慢磁弛豫性質來源于電子自旋磁矩、軌道磁矩、核自旋磁矩之間的相互作用，其低溫下的磁滯回線呈現(xiàn)臺階狀，為發(fā)展新類型分子磁體和發(fā)現(xiàn)新的磁現(xiàn)象提供了很好的實驗模型。

(2)高效能源材料

高效能源材料是指支撐能源發(fā)展的、具有高效率的能量儲存和轉化功能的功能材料或結構功能一體化材料，它是發(fā)展新能源與可再生能源的核心和基礎。高效能源材料催生了低碳等新能源與可再生能源的開發(fā)，使能源材料主要包括嵌鋰碳負極和LiCoO2正極為代表的鋰離子電極材料、儲氫合金材料為代表的鎳氫電池材料、燃料電池材料；Si半導體材料為代表的太陽能電池材料、相變儲能材料、熱電材料以及發(fā)展風能、生物質能和核能所需的關鍵材料等。當前研究熱點和技術前沿包括鋰離子電池材料、高容量儲氫材料、質子交換膜燃料電池和中溫固體燃料電池相關材料、薄膜太陽能電池材料、熱電材料、相變儲能材料等，以及發(fā)展高效能量轉換與儲能材料體系。

(3)非線性光學晶體材料

非線性光學（NLO）晶體材料已深入到激光技術的各個領域，現(xiàn)已成為激光變頻、電光調制和光折變晶體記憶和存儲等技術必不可少的晶體材料，其中又以二階非線性光學晶體材料居多。NLO晶體材料按其應用波段可劃分為深紫外（DuV）(＜200nm)、紫外-可見-近紅外和中紅外NLO晶體材料。由于紫外-可見-近紅外NLO晶體材料的研究已經比較成熟，可應用的晶體材料也很多，而能得到應用的DuV和中紅外NLO晶體材料卻非常少，并且已得到應用的晶體材料由于存在明顯的不足而難以廣泛使用。因此，研究和探索具有較好NLO性能的DuV和中外紅外NLO晶體材料是當前NLO晶體材料研究的重點和熱點。

由于光刻技術、微/納米精細激光加工、超高能量分辨光電子能譜儀、光電子發(fā)射顯微鏡、激光光譜、光化學合成和化學反應動力學等領域對DuV相干光源有越來越強烈的要求，而目前可產生DuV相干光源的同步輻射和準分子激光器分別存在光束單色性不好，獲得特定狹帶波長的效率過低，不能小型化和光束線寬，模式達不到上述領域要求，操作十分不便等缺點。獲得高光束質量、窄線寬的DuV激光光源已成為激光技術領域的研究前言和難點之一。

(4)分子篩及多孔材料

由于具有獨特的孔道結構、高比表面積以及豐富的活性中心，以及沸石為代表的多孔材料在石油化工、吸附與分離、儲能、催化等領域中均得到廣泛的應用。方沸石、鍶沸石等許多天然沸石表現(xiàn)出可逆的吸附-脫附水、離子交換、對有機分子選擇吸附等獨特的性質。1932年McBain提出“分子篩”（molecular sieves）這一概念來定義能篩分分子的多孔材料。分子篩的內涵更為廣泛，不僅包括沸石，也包括活性炭、硅膠以及其他具有多孔性質且能篩分分子的非晶或晶體材料。隨著對孔道以及空口的大小和形狀、孔道的維數(shù)和走向、孔壁的組成和性質等的深入研究，人們對多孔材料有了進一步認識和了解。根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會的定義，按照孔道的大小，多孔材料被分為孔徑小于2nm的微孔材料，孔徑介于2～50nm的介孔材料以及孔徑大于50nm的大孔材料。

隨著合成方法與研究手段的不斷發(fā)展，具有特殊結構和性質的多孔材料種類也越來越豐富。通過調整骨架元屬的組成，設計和合成新型的模板劑或導向劑，構建各種多面體結構單元以及復合組裝等手段，可以得到具有不同功能的多孔材料。在面臨能源及環(huán)境問題的當下，開發(fā)新型的功能材料來取代傳統(tǒng)材料已經成為人們試圖解決這兩大戰(zhàn)略問題的突破口。

(5)稀土化合物功能材料

稀土元素包括15種鑭系元素以及釔鈧，共17種元素，都處于元屬周期表的IIIB族，常用R或RE表示，具有特殊的電子結構及獨特的光電磁等性質。稀土元素與過渡金屬作用生成金屬間化合物，這些化合物具有獨特的功能，涉及稀土永磁材料，稀土磁致伸縮材料、稀土磁致冷材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化材料、稀土陶瓷材料等。稀土化合物功能材料廣泛應用于各類高科技領域，是現(xiàn)代高科技產業(yè)的先導和基礎。

稀土永磁材料是將釹、釤等稀土與過渡金屬（鈷、鐵等）組成的合金，用粉末冶金方法壓型燒結，經磁化后制得的一種磁性材料。包括釤鈷永磁體和釹鐵硼系永磁體。

(6)先進碳材料

碳材料是人類歷史上最早開始使用的無機固體材料之一，金剛石、石墨、活性炭、碳纖維等材料在國計民生中發(fā)揮著重要作用。富勒烯、碳納米管、石墨烯等碳材料因具有獨特的結構和性質，在很多領域具有重要的潛在應用前景，因此迅速成為最受關注的研究對象。

碳納米管和石墨烯均具有獨特的結構，并具備由其獨特結構所賦予的奇異電子學、光電子學和量子學性質，一般來說，半導體性單壁碳納米管可構筑場效應晶體管和光電子器件，而金屬性管可用作連接導線或構筑高頻器件。目前，一般制備方法得到的單壁碳納米管都是1/3金屬性管和2/3半導體性管組成的混合物?？煽俊⒖煽氐闹苽浞椒ㄊ侵萍s碳基納米材料器件化研究和應用的瓶頸問題。

碳納米管生長通常采用化學氣相沉積方法。石墨烯最早從高取向石墨上撕裂的方法制備。隨后人們發(fā)明了SiC基底上外延生長、溶液化學方法剝離膨脹石墨、化學氣相沉積，展開碳納米管等制備方法。

碳材料具有密度小，穩(wěn)定性高，載流能力強等優(yōu)勢，而無機納米材料具有光電磁以及催化、傳感等性能，因此二者的復合體系在催化、能源、分析檢測等領域顯示出重要的潛在應用前景。Ru負載于碳納米管能夠將一氧化碳和氫氣高效轉化為乙醇。碳納米管與無機納米晶體的復合也被廣泛用作氣體傳感器。如與SnO2復合時，對NO2氣體具有傳感性能；與In2O3復合可以用于NH3的檢測。

3.結語

綜上所述，根據(jù)現(xiàn)階段無機化學國際前沿發(fā)展動向和無機材料化學發(fā)展現(xiàn)狀，今后相當長的一段時間內，以功能導向的無機材料結構、物性和應用的研究，必將成為無機材料化學領域的主導發(fā)展方向和關注重點。

無機化學這些前沿的研究及研究成果，已經越來越展現(xiàn)出令人難以想象的優(yōu)點。這些新材料的運用前景應經受到了很多人的好評，在未來，它們的應用必將改變人類的世界和生活。

[1]陳榮,高松．無機化學學科前沿與展望,科學出版社,2012．

[2]中國化學會,北京大學和英國皇家化學會．無機化學前沿Inorganic Chemistry Frontiers[J]． 2015．1-12．

[3]中國化學會,中科院上海有機化學研究所．英國皇家化學會,有機化學前沿Organic Chemistry Frontiers[J]．2014(1)．

[4]梁文平,唐晉,王夔．新世紀化學發(fā)展戰(zhàn)略思考[J]．中國基礎科學,2000(5)．

[5]徐如人,龐文琴．無機合成與制備化學[M]．北京．高等教育出版社．2001．

[6]陳榮,梁文平．我國無機化學研究最新進展[J]．中國科學基金,2002(4)．

(責任編輯：牛玉娟)

Frontier Review of Inorganic Chemistry

Xu Ziqian

（Chemistry and Chemical Engineering College, Xiamen University, Fujian, 361005）

As the basic discipline of other branches in the discipline of chemistry, inorganic chemistry has made impressing achievement in the recent years, which mainly lies in the fields of the designing and synthesis of structure-sensitivecatalytic materials, eff cient energy materials, nonlinear optics crystalline material, molecular sieve and porous materials, rare earth compound function materials and advanced carbon materials, etc. This paper reviews above frontier research concerning contemporary inorganic chemistry.

inorganic chemistry；frontier research；research review

O < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼：A

A

徐子謙（1997～)，男，廈門大學化學化工學院；研究方向：化學理論研究與化學應用。