新颖多功能硫属化合物微孔材料的设计合成与性能研究

本课题以具有重要应用前景的多功能硫属化合物微孔材料为研究对象，从分子水平上筛选一些特殊的非常规有机模板剂，选取不同主族或不同价态的IIIA、IVA、VA族金属，通过有机模板剂的结构导向作用与配位作用设计组装新颖的混主族金属多元微孔硫属化合物，并引入d8/d10过渡金属、稀土金属修饰无机骨架，实现硫属化合物微孔材料骨架成分、结构与功能的多样化。重点研究硫属化合物功能材料的微孔性与光电磁性能，采用量子化学计算方法研究材料的能带结构与光电磁性能，探索材料的物化性能与组成、微观结构之间的内在关系。通过系统地合成-结构-性能-理论研究，筛选具有优异微孔性与光电磁性能的多功能硫属化合物微孔材料，为其在吸附分离、离子交换、催化、非线性光学、半导体、光电磁等诸多领域的开发和应用提供科学依据。

本项目采用固相合成与溶剂热合成相结合的方法构筑了一系列有机-无机杂化的多元硫属化合物，并通过X-射线单晶衍射等谱学手段测试了化合物的晶体结构，详细研究了化合物的光电磁性能，发现了一系列具有优异可见光催化性能的多元硫属化合物。同时采用量子化学计算方法研究了化合物的能带结构，并初步探索了材料的光电性能与能带结构之间的内在关系，为新型可见光催化剂的研究提供了科学依据。研究发现: (1) 过渡金属配合物具有优异的模板效应，能够有效地诱导硫属化合物微孔骨架的形成，同时通过过渡金属配合物的设计合成能够合理的调节硫属化合物的光电磁性能；(2) 混合主族金属可以采取不同的配位模式，这些不同的结构基元可以通过共顶点、共边连接形成新的次级结构基元，从而组装新颖拓扑结构类型的混金属多元硫属化合物；(3) d8/d10过渡金属(Au+、Ag+、Cu+、Zn2+、Cd2+、Hg2+)具有强烈的亲硫(硒、碲)性，能够与硫属元素形成不同于主族金属的配位模式，从而诱导产生新型拓扑结构类型的多元硫属化合物; (4) 微孔硫属化合物属于半导体材料，能够吸收太阳光中的可见光，并且具有优异的光催化性能。. 在多元硫属化合物研究的同时，本课题组开始了极性金属间化合物的合成、结构与电磁性能研究。主要采用绝水绝氧的高温固相合成方法，在国际上首次研究了稀土-铌-锡三元体系，发现了三个具有新型结构类型的化合物，研究了化合物的电磁性能，并通过量子化学计算方法研究了化合物的能带结构。研究发现过渡金属Nb的d轨道电子能量较高，位于费米能级上，对材料的导电性能有较大的贡献，为稀土-Nb-Sn超导材料的研究提供了理论依据。