無機合成化學概述課件

合成化學研究生專業(yè)基礎課課件——無機合成化學合成化學研究生專業(yè)基礎課課件——無機合成化學無機合成化學是無機化學的一個重要組成部分涉及化學方面的全部內(nèi)容著重介紹了有代表性的無機新材料的合成技術。所涉及的內(nèi)容主要包括：1．無機合成化學概述2．特種條件下無機合成反應3．水熱-溶劑熱合成技術4．幾類重要的無機功能材料的制備

無機合成化學是無機化學的一個重要組成部分涉及化學方面的全部內(nèi)第一章無機合成化學概述

§1-1無機合成化學的意義

化學已經(jīng)成為一門滿足社會需要的中心科學，因為它與人類的日常生活如：食物、能源、材料、資源、環(huán)境及健康等密切相關。其中尤以合成化學為技術基礎的各種物質(zhì)起著至關重要的作用。作為化學學科中當之無愧的核心，合成化學已成為化學家改造世界創(chuàng)造未來最有力的工具。第一章無機合成化學概述§1-1無機合成化學的意義如19世紀染料工業(yè)的開創(chuàng)；20世紀中葉因高分子的合成，推動了非金屬合成材料工業(yè)的建立；上個世紀的50年代，無機固體造孔合成技術的進步直接導致了系列分子篩催化材料的開發(fā)，大大促進了石油加工和石化工業(yè)的革命性發(fā)展；本世紀初正在蓬勃發(fā)展的納米材料的合成和組裝技術也必將加快高新技術材料和相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。合成化學領域的每一次進步都會帶動產(chǎn)業(yè)的一次革命如19世紀染料工業(yè)的開創(chuàng)；合成化學領域的每一次進步都會帶動產(chǎn)隨著新興學科和高技術的蓬勃發(fā)展，作為合成化學中不可忽缺的組成部分，無機合成化學不僅是無機化學學科的一個重要分支，其與新材料的結合也成為當前無機化學領域最新的發(fā)展方向之一。無機合成化學的目標是獲得不同用途的無機材料，而無機材料的使用自古以來就是人類文明進步和時代劃分的標志。發(fā)展合成化學，不斷創(chuàng)造和開發(fā)新的物種，不僅是研究結構、性能及其相互關系，揭示新的規(guī)律與原理的基礎，也成為推動化學學科與相關學科發(fā)展的主要動力。隨著新興學科和高技術的蓬勃發(fā)展，作為合成化學中不可忽缺的組成高純度半導體計算機和現(xiàn)代通信；高強度、耐高溫結構材料航空航天工業(yè)不論是煉丹術，火藥、陶瓷的發(fā)明、金屬的冶煉，還是高溫超導材料、生物陶瓷、超硬材料以及信息與能源轉換材料的合成及其應用都是無機合成化學的重要成就。采用化學方法合成的新型無機材料的使用則是近代文明發(fā)展的標志。高純度半導體計算機和現(xiàn)代通信；采用化學方法合成的新型無機材毫無疑問，無機合成化學對人類社會的發(fā)展起著重要的促進作用，還將繼續(xù)為人類社會的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮出卓越的貢獻。如：(1)新能源開發(fā)(2)空間科技(3)微電子、光電子技術(4)激光技術

(5)紅外技術

毫無疑問，無機合成化學對人類社會的發(fā)展起著重要的促進作用，還人類社會的存在和發(fā)展是與能源密不可分的。然而地球上儲存的礦物能源已越來越少，尚未開采的原油儲藏量已不足兩萬億桶，可供開采時間≤95年。在2050年前，世界經(jīng)濟的發(fā)展將越來越多地依賴煤炭。其后在2250到2500年之間，煤炭也將消耗殆盡，礦物燃料供應枯竭。新能源開發(fā)人類社會的存在和發(fā)展是與能源密不可分的。然而地球上儲存的礦物面對能源危機，采取開源節(jié)流戰(zhàn)略，即一方面節(jié)約能源，提高現(xiàn)有能源的利用率；另一方面開發(fā)新能源。這兩方面都對材料提出了要求。如為了提高熱效率需要有耐高溫、機械性能良好的結構材料和隔熱性好的保溫材料。目前正在研究開發(fā)的新能源有磁流體發(fā)電、地熱、潮汐發(fā)電、風力發(fā)電、太陽能和核能的利用、燃料電池等。面對能源危機，采取開源節(jié)流戰(zhàn)略，即一方面節(jié)約能源，提高現(xiàn)有能如：磁流體發(fā)電需有特殊的導體材料作電極；

地熱、潮汐發(fā)電需要有耐沖刷、抗腐蝕性良好的結構材料；

太陽能轉換成電能、熱能，需要有廉價的轉換效率高的光電或光熱轉化材料，還需要有制取太陽能電池和經(jīng)久耐用、便于制造、性能穩(wěn)定的反射材料和選擇性涂層材料，以便有效地集聚光能；

核能需要有好的控制核反應的控制材料和防止核輻射的結構材料；

燃料電池需要解決固體電解質(zhì)材料問題。為有效地儲存能源還要有性能良好的電池材料和儲氫材料等。這些新的發(fā)電和能量轉換技術需要解決一系列的材料問題：如：磁流體發(fā)電需有特殊的導體材料作電極；這些新的發(fā)電和能量轉空間科技的發(fā)展，創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)和精神財富。如衛(wèi)星作為傳遞信息的樞紐，聯(lián)結世界各地，引起了通信體制的根本改變。2/3的國際電話業(yè)務和幾乎全部洲際電視轉播業(yè)務，均由國際通信衛(wèi)星承擔，每年營業(yè)額高達20億美元。通過各類應用衛(wèi)星進行偵察、預警、導航、廣播、考察、預報、測繪等，可以獲得巨大的軍事價值和經(jīng)濟效益?？臻g科技的發(fā)展離不開火箭、人造衛(wèi)星、飛船等航天器。這些航天器又是由各種功能材料建造的。由于航天航空的特殊環(huán)境，制造航天器用的材料，常需要有各種特殊的性能?？臻g科技：一門新興的綜合性尖端科學技術。包括航天器的設計、制造、發(fā)射和應用?？臻g科技的發(fā)展，創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)和精神財富。如衛(wèi)星作為傳遞信如火箭燃料燃燒時，其噴嘴溫度超過4000℃，并有腐蝕性。燃燒室內(nèi)的壓力高達20MPa，因此燃燒噴嘴要用隔熱性好，比熱容、潛熱大的耐高溫燒蝕材料制成；又如，宇宙飛船或航天飛機在返回地球時，大氣層與航天器間的摩擦作用使航天器表面溫度達到2000℃左右。一般的高溫材料已不能承受，因此常用隔熱陶瓷片加以保護。總之，各種耐高溫材料、高溫結構材料、燒蝕材料和涂層材料的研制成功，對空間技術的發(fā)展起了巨大的推動作用?？梢韵嘈牛S著現(xiàn)代無機合成化學的向前發(fā)展，空間科技將會因更多優(yōu)異性能的特種材料出現(xiàn)而有更大的發(fā)展。如火箭燃料燃燒時，總之，各種耐高溫材料、高溫結構材料、燒蝕材20世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業(yè)革命；隨后的70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技術的迅速發(fā)展，使人類進入了信息時代。現(xiàn)在以半導體材料和器件為基礎的微電子技術，不僅對現(xiàn)代工業(yè)、國防、科學技術等產(chǎn)生巨大的影響，而且對人類日常生活的方方面面都有著深遠的影響。微電子、光電子技術20世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電微電子技術的基礎：無機半導體材料按其化學成分和內(nèi)部結構元素半導體(如Ge、Si、Se、B、Te、Sb)；化合物半導體(如GaAs、InP、InSb、SiC、CdS等)；無定形半導體材料(如氧化物玻璃和非氧化物玻璃)等是無機合成化學的研究內(nèi)容之一。微電子技術的基礎：無機半導體材料按其化學成分和內(nèi)部結構元素半微電子技術還需要高頻絕緣材料、熒光材料、場致發(fā)光材料和襯底用材料等，幾乎都屬于新型無機材料之類，也是無機合成化學的研究對象。固體電子器件向小型化、高速化、復合化和高可靠性發(fā)展，及滿足大規(guī)模集成電路的要求，對材料的無機合成技術也提出了更高的要求。迅猛發(fā)展的納米材料合成技術會對微電子技術的發(fā)展起著巨大的促進作用。微電子技術還需要高頻絕緣材料、熒光材料、場致發(fā)光材料和襯底用微電子技術推動了以計算機、因特網(wǎng)、光纖通信等為代表的信息技術的高速發(fā)展。隨著信息技術的發(fā)展，大容量光纖通信網(wǎng)絡的建設，光電子技術將起到越來越重要的作用。------美國商務部，上世紀90年代“全世界的光子產(chǎn)業(yè)以比微電子產(chǎn)業(yè)高得多的速度發(fā)展，誰在光電子產(chǎn)業(yè)方面取得主動權，誰就將在21世紀的尖端科技較量中奪魁”。微電子技術推動了以計算機、因特網(wǎng)、光纖通信等為代表的信息技術光電子技術國防、航天航空、光學加工、電子、通訊、顯示、測試儀器等領域發(fā)展的基礎，在未來的光計算中發(fā)揮重要作用。同微電子技術一樣，各種電子與光電子功能材料是發(fā)展電子學與光電子學的基礎與先導。半導體單晶和石英光纖對于電子學和通訊，以至經(jīng)濟和社會發(fā)展所帶來的影響和沖擊，清楚地說明了這種基礎和先導作用。光電子技術國防、航天航空、光學加工、電子、通訊、顯示、測試儀20世紀60年代初出現(xiàn)的硅單晶給電子學帶來了劃時代的變革，使電子技術從真空電子時代進入固體微電子時代。以半導體單晶為例：集成電路改變了以計算機和通訊為代表的整個電子技術，甚至改變了人類的生活和工作方式。硅單晶所帶來的變革和沖擊仍在迅速擴展，并有可能延續(xù)很長一段時間。20世紀60年代初出現(xiàn)的硅單晶給電子學帶來了劃時代的變革，使GaAs單晶的出現(xiàn)，使電子器件的工作頻率擴展到了微波和毫米波段，促進了現(xiàn)代通訊技術的發(fā)展，并以其優(yōu)良的光電特性開創(chuàng)了光電子時代。InP材料的出現(xiàn)以其高的電子遷移率和高的響應頻率使得在同一芯片上實現(xiàn)光電集成成為可能，為光電子技術打下了基礎。以HgCdTe為代表的第四代半導體材料，則使器件的工作頻率從毫米波擴展到紅外波段，使得信息的處理由電發(fā)展到光，為光子技術的發(fā)展準備了條件。GaAs單晶的出現(xiàn)，使電子器件的工作頻率擴展到了微波和毫米波當然，除了半導體材料外，電子與光電子功能材料還包括介電材料、磁性材料和光學與非線性光學材料等。由此可見，在國民經(jīng)濟和國防建設中，高新技術的發(fā)展將越來越依賴于在材料方面所取得的發(fā)展和突破。而上述各類材料的制備和性能研究正是無機合成化學研究的內(nèi)容。當然，除了半導體材料外，電子與光電子功能材料還包括介電材料、激光技術激光是一種受激發(fā)射而放大的特殊光源，具有亮度高、單色性、聚能與方向性強等特點。1960年7月美國T.H.梅曼研制成功紅寶石固體激光器，標志了激光技術的創(chuàng)立。接著又用氣體、半導體、染料等為工作物質(zhì)實現(xiàn)了激光振蕩，促進了激光技術的發(fā)展。激光技術激光是一種受激發(fā)射而放大的特殊光源，具有亮度高、單色激光技術被認為是20世紀繼量子物理學、無線電技術、原子能技術、半導體技術、電子計算機技術之后的又一重大科學技術新成就。目前，激光技術已廣泛運用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、軍事乃至社會生活的方方面面，對人類社會的進步正起著越來越重要的作用。激光技術被認為是20世紀繼量子物理學、無線電技術、原子能技采用激光進行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通過光的衍射，就能復現(xiàn)被攝取物體栩栩如生的立體形象。如：激光在信息領域的應用：激光在全息術領域的應用：半導體激光器和光纖放大器是光纖通信的兩項關鍵技術。利用激光技術進行光存儲，使信息的存儲發(fā)生了革命性的飛躍。此外，激光打印機、激光傳真機、激光照排、激光大屏幕彩色電視、光纖有線電視以及大氣激光通訊等均已得到廣泛應用。采用激光進行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通在紅寶石固體激光器件研制成功之后，為尋找性能更好的固體激光工作物質(zhì)進行了大量的探索工作。稀土激光材料因其特殊的電子組態(tài)、眾多可利用的電子能級和光譜特性，成為國內(nèi)外研究、開發(fā)和應用最活躍的體系。相繼研制出了摻釹的鎢酸鈣、釔鋁石榴石、鋁酸釔、過磷酸釹和各種氟化物晶體，然而，有實用價值的僅有紅寶石、釔鋁石榴石和釹玻璃等少數(shù)幾種。主要原因是其他工作物質(zhì)的轉換效率低，又難以得到尺寸大且質(zhì)量均勻的晶體。所以，探索質(zhì)量更好的工作物質(zhì)仍然是從事無機材料合成工作的科研工作者面臨的一項重要任務。激光技術的出現(xiàn)，從一開始就與材料有著密切的聯(lián)系。在紅寶石固體激光器件研制成功之后，為尋找性能更好的固體激光工紅外技術是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳播、轉化和測量及應用的一門新興技術。在軍事和國民經(jīng)濟各部門有巨大的應用價值。紅外技術的發(fā)展取決于紅外探測器的發(fā)展紅外技術是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳播、轉化和測量及應用的一門新1940年以前研制成熱敏型紅外探測器；20世紀50年代半導體物理學的發(fā)展，推進了以PbS為開端的光電型紅外探測器的發(fā)展60年代中葉起，紅外探測器向兩個方向發(fā)展：①在1～14微米范圍內(nèi)，由單元向多元發(fā)展。碲鎘汞材料是發(fā)展多元探測器的基礎材料。根據(jù)不同的配比，可制成響應不同波段的各種探測器。它還具有若干特別符合紅外探測器要求的特性，用它制成的探測器，堪與過去在1～14微米范圍的各種光電探測器相比。1940年以前研制成熱敏型紅外探測器；60年代中葉起，紅外探②響應波段向長波延伸，從幾十微米到幾百微米以至幾千微米。60年代，激光的出現(xiàn)極大地影響了紅外技術的發(fā)展。很多重要的激光都在紅外波段，其探測性能比功率探測提高好幾個數(shù)量級。雷達和通信等都有可能在紅外波段實現(xiàn)，而且可以得到更高的分辨率和更大的信息容量。由于這類應用的需要，出現(xiàn)了新的探測器件和新的輻射傳輸方式。②響應波段向長波延伸，從幾十微米到幾百微米以至幾千微米。紅外光是波長介于可見光與微波之間的電磁波(但目前能利用的波段僅僅是0.75～13微米的近紅外和中紅外波段)。對這一波段敏感、具有透過和反射性能的各種材料，是制造紅外裝置的核心。已研制和大量使用的半導體材料有：PbS、InSb、HgCdTe、InSbAs、PbTe、ZnS、ZnSe、PbEuTe等鐵電晶體或多晶體有：Ag2TaO4、PbGeO3、PbTiO3等。紅外光是波長介于可見光與微波之間的電磁波(但目前能利用的波段透過紅外的窗口材料也是紅外裝置上需要的一種重要材料，有Ge、Si、Se、Mg3N2、Ca3N2、ZnS等各種無機單晶、多晶材料。制造紅外光譜儀的分光棱鏡也需要用到各種紅外分光晶體。依波長不同，使用的材料主要有水晶和Ca3N2、NaCl、KBr等堿金屬、堿土金屬的化合物晶體。這些無機紅外功能材料都是通過無機合成化學制備出來的。透過紅外的窗口材料也是紅外裝置上需要的一種重要材料，有Ge、現(xiàn)代科學技術的發(fā)展需要各種各樣的無機功能材料，它們相互依存，又相互促進，彼此密切相關。而各種無機功能材料均需依靠近代無機合成技術把它們一個個制備出來，以滿足科學技術發(fā)展的需要。綜上所述現(xiàn)代科學技術的發(fā)展需要各種各樣的無機功能材料，它們相互依存，§1-2無機合成化學的研究內(nèi)容隨著合成化學、特種合成實驗技術和結構化學、理論化學等的發(fā)展，生命、材料、計算機等相鄰學科的交叉、滲透，以及實際應用上的需求，無機合成化學的內(nèi)涵已被大大擴充。不只局限于傳統(tǒng)的常規(guī)合成，開始進入到大量特種實驗技術與方法下的合成(包括了制備和組裝科學)，研究具有特定結構和性能的無機材料的定向設計合成與仿生合成等。同時與其它學科領域的關系也日益密切，從而使其涉及的內(nèi)容更廣。

§1-2無機合成化學的研究內(nèi)容隨著合成化學、特種合成實驗一、特定結構或特殊凝聚態(tài)的無機材料的合成及相關技術路線與規(guī)律的研究

材料的性能與物質(zhì)的結構密切相關，結構不同，即使由相同的元素組成的物質(zhì)其性質(zhì)也會有明顯的不同，如石墨和金剛石；-Fe2O3和-Fe2O3等。物質(zhì)的性質(zhì)也受聚集狀態(tài)調(diào)控，如體材料與納米級材料；多晶和單晶材料；球形納米粒子與納米棒、納米線、納米管等。此外，通過材料之間的復合、組裝與雜化而形成的各種無機功能材料，因其獨特的性能和廣泛的應用前景而成為現(xiàn)代無機合成研究的對象之一。

一、特定結構或特殊凝聚態(tài)的無機材料的合成及相關技術路線與規(guī)律因此，無機合成與制備工作者的一個重要任務是：開發(fā)新合成反應、制備路線與技術，把這類材料精雕細琢成具有特定結構與聚集態(tài)的無機物或其相關材料，了解和掌握其相關的合成規(guī)律與基礎理論，并進一步用來指導具有特定結構或聚集態(tài)的無機材料的合成。無機合成和有機合成的區(qū)別：有機合成主要是分子層次上反應和加工無機合成主要注重晶體或其他凝聚態(tài)結構上的精雕細琢。因此，無機合成與制備工作者的一個重要任務是：開發(fā)新合成反應、二、極端條件下無機材料的合成和相關技術路線的基礎性研究許多物質(zhì)需要在極端條件下才能被合成如超高壓、超高溫、超高真空、超低溫、強磁場或電場、失重、激光、等離子體等二、極端條件下無機材料的合成和相關技術路線的基礎性研究許多物極端條件下合成的物質(zhì)在性質(zhì)上往往表現(xiàn)出明顯不同于溫和條件下合成的物質(zhì)。如，在太空中的高真空、無重力的情況下，可以合成出沒有位錯的高純度晶體；在超高壓下，許多物質(zhì)的禁帶寬度及內(nèi)外層軌道的距離均會發(fā)生變化，從而使元素的穩(wěn)定價態(tài)與通常條件下有所差別。因而有人認為在超高壓下，整個元素周期表要被改寫；而在中溫中壓水熱條件下，可以合成出具有特定價態(tài)、特殊構型與形貌的晶體，從而替代或彌補目前大量無機功能材料的高溫固相反應的不足。極端條件下合成的物質(zhì)在性質(zhì)上往往表現(xiàn)出明顯不同于溫和條件下合我國已積極開展極端條件下的無機功能材料的合成和性能研究，如在神舟系列宇宙飛船上從事高真空、無重力條件下的材料合成等，已取得一些豐富的成果，但由于開展極端條件下無機合成的時間較短，基礎薄弱，總體上仍落后于世界發(fā)達國家。積極開展極端條件下無機功能材料的合成研究、探索其合成與制備化學的基本規(guī)律，開發(fā)新的合成路線與實驗技術是擺在我國無機合成化學工作者面前的一項迫切的任務。開拓極端條件下合成新化合物、新物相與新物態(tài)的方法與路線，對材料科學的發(fā)展具有重大的促進作用和現(xiàn)實意義。我國已積極開展極端條件下的無機功能材料的合成和性能研究，如在三、生物礦化與仿生合成技術及其在無機材料合成中的應用研究從分子層次上實現(xiàn)對化學反應的控制是化學家長期以來不斷追求的目標。生物體具有這樣的能力。且在生物體內(nèi)形成的無機礦物在結構與功能上也明顯優(yōu)于普通化學沉淀法生成的礦物。三、生物礦化與仿生合成技術及其在無機材料合成中的應用研究從分

生物礦化的奇特之處在于其過程是一個天然存在的高度控制過程，受生物機體內(nèi)在機制調(diào)制，可以實現(xiàn)從分子水平到介觀水平上對晶體形狀、大小、結構、取向和排列的精確控制和組裝，從而形成復雜的分級結構，具備特殊的光、磁和力學性能。生物礦化作用廣泛存在于生物界，所生成的礦物在生物體中承擔了聽覺感受、重力感受、利用地球磁場導航、臨時儲存離子、硬化和強化特定生物組織等多種作用。生物礦化的奇特之處在于其過程是一個天然存在的高度控制表1-1生物體內(nèi)主要的無機礦物的種類及其功能礦物化學組成生物體/功能碳酸鈣（方解石）CaCO3海藻/外骨骼；軟體動物/視網(wǎng)膜碳酸鈣（方石）CaCO3魚類/魚耳石；軟體動物/殼碳酸鈣（球霰石）CaCO3海鞘骨碳酸鈣(無定形)CaCO3nH2O高等植物/存儲Ca羥磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2牙齒、骨骼、魚鱗/存儲Ca氟磷灰石Ca10(PO4)6F2牙齒、軟體動物殼磷酸八鈣Ca8H2(PO4)6·5H2O牙齒草酸鈣石CaC2O4·H2O高等植物/存儲Ca水草酸鈣石CaC2O4·2H2O高等植物/存儲Ca表1-1生物體內(nèi)主要的無機礦物的種類及其功能礦物化學組成石膏CaSO4水母/魚耳石重晶石BaSO4海藻、蛤殼天青石SrSO4棘刺蟲無定形二氧化硅SiO2·nH2O海綿骨骼、硅藻細胞壁磁鐵礦Fe3O4細菌、石鱉牙、牙齒針鐵礦-FeO(OH)礪牙纖鐵礦-FeO(OH)裸藻、細篦水鐵礦5Fe2O3·9H2O動物、高等植物/鐵蛋白黃鐵礦FeS2細菌磁復鐵礦Fe3S4細菌石膏CaSO4水母/魚耳石重晶石BaSO4海藻、蛤殼天青石S黑錳礦Mn3O4細菌冰H2O細菌氯銅礦Cu2(OH)3Cl蟲嘴金屬單質(zhì)Ag/Au細菌硫化鎘CdS細菌黑錳礦Mn3O4細菌冰H2O細菌氯銅礦Cu2(OH)3Cl蟲近年來，生物礦化的這種自裝配、分級結構、納米尺度的特征受到了來自化學、物理、材料和生物等多個領域科學家的關注，使以模擬生物礦化來制備精密、復雜無機材料的仿生合成成為21世紀合成化學中的前沿領域之一。仿生合成技術展現(xiàn)了非常誘人的前景。近年來，生物礦化的這種自裝配、分級結構、納米尺度的特征受到了生物礦化過程一般分為4個階段：1.有機大分子預組織2.界面分子識別3.生長調(diào)制4.細胞加工生物礦化過程一般分為4個階段：1.有機大分子預組織2.界面分1.有機大分子預組織礦物沉積前構成一個有組織的反應環(huán)境，以決定無機物成核的位置2.界面分子識別在已形成的有機大分子組裝體的控制下，無機物從溶液中有機/無機界面處成核。分子識別表現(xiàn)為有機大分子在界面處通過晶格幾何特征、靜電勢相互作用、極性、立體化學因素、空間對稱性和基質(zhì)形貌等方面影響與控制無機物成核的部位、結晶物質(zhì)的選擇、晶型、取向及形貌1.有機大分子預組織礦物沉積前構成一個有組織的反應環(huán)境，以決在細胞參與下亞單元組裝成高級結構。這是造成天然生物礦化材料與人工材料差別的主要原因。3.生長調(diào)制無機相通過晶體生長進行組裝得到亞單元，同時形態(tài)、大小、取向和結構受到有機分子組裝體的控制；4.細胞加工在細胞參與下亞單元組裝成高級結構。3.生長調(diào)制無機相通過晶體其一般過程是：自組裝技術的發(fā)展就是借鑒上述生物礦化現(xiàn)象及其原理進行無機功能材料合成的直接結果。形成有機物的自組裝體無機前驅(qū)物在自組裝體與溶液相的界面處發(fā)生化學反應在自組裝體的模板作用下無機/有機復合體除去有機模板一定形狀的無機材料其一般過程是：自組裝技術的發(fā)展就是借鑒上述生物礦化現(xiàn)象及其原表面活性劑在溶液中可以形成膠束、液晶、囊泡及微乳液等自組裝體，在現(xiàn)代無機材料的合成過程中被大量用作模板。此外，一些生物大分子和生物中的有機質(zhì)也可用作模板。迄今為止，利用仿生合成方法已合成了包括納米微粒、薄膜、多孔材料、涂層及與天然生物礦物相似的復雜形貌的無機材料。表面活性劑在溶液中可以形成膠束、液晶、囊泡及微乳液等自組裝體四、組合化學在無機材料的制備領域的應用研究組合化學也稱組合合成，組合庫和自動合成法。是一門集合成化學、組合數(shù)學和計算機輔助設計等多學科交叉形成的一門邊緣學科。組合化學可定義為利用組合論的思想和理論，將構建單元通過有機/無機合成或化學法修飾，產(chǎn)生分子多樣性的群體庫，并進行優(yōu)化選擇的科學。四、組合化學在無機材料的制備領域的應用研究組合化學也稱組合無機功能材料的制備，除固相反應等常用的制備方法外，還包括離子濺射、激光沉積、金屬有機化合物氣相沉積等物理方法。所制材料本身也發(fā)生了較大的變化，如尺寸從體相深化到納米相，且更注重材料的形貌及表面/界面特性，組成也更趨復雜；此外，還包括復合材料、雜化材料的制備研究。如何高效地設計和制備需要的材料體系，并調(diào)控體系的組成、相態(tài)和形貌，確定其功能特性，從中篩選出所需的功能材料，一直是材料科學工作者追求的目標。組合化學在無機功能材料的設計、制備和功能篩選上應用廣泛無機功能材料的制備，除固相反應等常用的制備方法外，還包括離子己應用于高技術功能材料的研究和開發(fā)，且潛力巨大。在無機合成領域的范圍更加寬廣。國內(nèi)利用組合化學在無機功能材料的合成與表征方面做了一些工作，特別是在數(shù)據(jù)庫與化學合成相結合方面積累了很多經(jīng)驗。組合合成法的優(yōu)點1.可大范圍調(diào)控材料的組分2.利用最少的步驟同時合成和篩選大量材料3.降低材料制備過程的環(huán)境污染等己應用于高技術功能材料的研究和開發(fā)，且潛力巨大。組合合成法的主要進展無機多核陰離子簇(作為均相催化劑)組合庫的建立等有機固體及高聚物無機催化劑固體材料領域超導材料巨磁阻材料介電及鐵電材料發(fā)光材料分子篩電致氧化、催化、合金化合物的組合化學合成主要進展無機多核陰離子簇(作為均相催化劑)組合庫的建立等有以無機微孔材料、無機/有機雜化材料中存在的基本結構單元為基礎，組合合成具有設計結構單元的化合物。功能材料組合庫的合成與表征，包括無機功能材料，如發(fā)光材料，鐵電、介電材料，巨磁阻材料等。相比國外在相關領域的研究工作，我國還有較大的差距。我國應在現(xiàn)有的工作基礎上，結合組合制備和性能測定方法的特長，集中精力選擇以下幾個方面有潛力的方向開展研究：1.無機結構基元或虛擬結構基元的組合化學。以無機微孔材料、無機/有機雜化材料中存在的基本結構單元為基礎激光噴涂組合化學研究主客體組裝組合化學等2.分子工程學研究中的組合化學。結構化學組合庫的建立特殊結構基元的組合化學結構的多級調(diào)控和生物礦化過程模擬水熱與溶劑熱合成化學規(guī)律等。包括3.特殊技術和特定結構組合化學。4.無機材料組合合成技術與表征方法的基礎研究。如激光噴涂組合化學研究2.分子工程學研究中的組合化學。結構化6.從熱力學平衡角度研究材料的相態(tài)、結構及穩(wěn)定性，獲得所述材料體系的相圖，同時進行性能測定，由此全面掌握不同組成、結構和工作溫度下的材料特性。5.固體氧化物燃料電池中新型中、低溫(600-800℃)區(qū)工作的固體復合氧化物電解質(zhì)材料的探索和篩選。包括組合化學自身的理論研究。7.無機材料組合化學基礎理論研究。6.從熱力學平衡角度研究材料的相態(tài)、結構及穩(wěn)定性，獲得所述針對制備具有高效光、電、磁等性質(zhì)的無機功能材料，發(fā)展組合化學的設計原理和方法，研究材料性質(zhì)與微結構、形貌和形態(tài)、制備條件等因素間的關系和規(guī)律，必將為無機功能材料的研究和開發(fā)提供新的方法和技術。小結針對制備具有高效光、電、磁等性質(zhì)的無機功能材料，發(fā)展組合化學五、節(jié)能、潔凈、經(jīng)濟等綠色合成反應與工藝的基礎性研究

20世紀90年代初，化學家們提出了綠色化學的概念。近十幾年來，綠色化學、環(huán)境溫和化學、潔凈技術、環(huán)境友好過程等已為普通大眾所接受。合理選擇使用無毒性化學品、具有生態(tài)相容性的溶劑和可再生材料成為綠色化學研究的重要組成部分。關于綠色化學的概念、目標和基本原理等也都逐步明確，初步形成了一個多學科交叉的新的研究領域。五、節(jié)能、潔凈、經(jīng)濟等綠色合成反應與工藝的基礎性研究20世

一種理想的(最終是實效的)合成是指用簡單的、安全的、環(huán)境友好的、資源有效的操作，快速、定量地把價廉、易得的起始原料轉化為天然或設計的目標分子。1996年美國的Wender教授在國際著名期刊Chem.Rev.上撰文指出：給出了綠色合成的目標，指明了實現(xiàn)這一目標的主要途徑。一種理想的(最終是實效的)合成是指用簡單的、安全的、環(huán)如：環(huán)境友好催化反應與催化劑的開發(fā)研究電化學合成與其他軟化學合成反應的開發(fā)經(jīng)濟、無毒、不危害環(huán)境的反應介質(zhì)的研究與開發(fā)從理論上研究“理想合成”與高選擇性定向合成反應的實現(xiàn)等已成為合成化學家們關注的研究熱點。一些基礎性的研究方向隨著學科交叉滲透的不斷深入和人類對生存環(huán)境的要求日益提高，材料合成中的綠色化學將發(fā)揮著重要的作用。如：環(huán)境友好催化反應與催化劑的開發(fā)研究一些基礎性的研究方向隨一、無機合成化學與反應規(guī)律問題§1-3無機合成化學中的若干問題100多種元素組成的1300多萬種化合物同種化合物有多種制備方法性質(zhì)不盡相同合成方法各異不可能逐一討論每種化合物的合成方法應在掌握無機元素化學及化學熱力學、動力學等知識的基礎上，歸納總結合成各類無機化合物的一般原理、反應規(guī)律一、無機合成化學與反應規(guī)律問題§1-3無機合成化學中的若干才有可能減少工作中的盲目性才有可能設計合理或選擇最優(yōu)的路線合成出具有一定結構和性能的新型無機化合物或無機材料才有可能改進或創(chuàng)新現(xiàn)有無機化合物或材料的合成途徑和方法。特別是總結主要類型的無機化合物或無機材料如酸、堿、鹽、氧化物、氫化物、精細陶瓷二元化合物(C、N、B、Si化合物)、經(jīng)典配位化合物等的一般合成規(guī)律了解其合成路線的基本模式才有可能減少工作中的盲目性特別是總結主要類型的無機化合物或無二、無機合成中的實驗技術和方法問題

6.光化學合成法大體包括1.電解合成法2.以強制弱法3.水溶液中的離子反應法氣體的生成、酸堿中和、沉淀的生成與轉化、配合物的生成與轉化等4.非水溶劑合成法5.高溫熱解法溶液電解熔鹽電解二、無機合成中的實驗技術和方法問題6.光化學合成法大體包括特殊實驗技術和方法各類重要的分離技術高溫和低溫合成水熱溶劑熱合成高壓和超高壓合成放電和光化學合成電氧化還原合成無氧無水實驗技術CVD技術sol-gel技術單晶的合成與晶體生長放射性同位素的合成與制備低價態(tài)化合物和配合物非金屬間化合物的合成和提純晶態(tài)物質(zhì)的造孔反應特殊實驗技術和方法各類重要的分離技術高溫和低溫合成水熱溶劑熱三、無機合成中的分離問題

產(chǎn)品的分離、提純是合成化學的重要組成部分伴有副反應產(chǎn)物常含有雜質(zhì)對無機材料純度的要求越來越高，如超純試劑、半導體材料、光學材料、磁性材料、用于航天航海的超純金屬等三、無機合成中的分離問題產(chǎn)品的分離、提純是合成化學的重要組合成和分離是兩個緊密相連的問題合成中應注重反應的定向性和原子經(jīng)濟性特種的分離方法：低溫分餾、低溫分級蒸發(fā)冷凝、低溫吸附分離、高溫區(qū)域熔煉、晶體生長中的分離技術、特殊的色譜分離、電化學分離、滲析、擴散分離、膜分離技術和超臨界萃取分離技術等，及利用性質(zhì)的差異充分運用化學分離方法等。重視分離方法和技術的改進和建立傳統(tǒng)的分離方法：重結晶、分級結晶和分級沉淀、升華、分餾、離子交換和色譜分離、萃取分離等特殊的分離問題時必須設計特殊的方法合成和分離是兩個緊密相連的問題合成中應注重反應的定向性和原子四、無機合成中的結構鑒定和表征問題

既包括了對合成產(chǎn)物的結構確證，又包括特殊材料結構中非主要組分的結構狀態(tài)和物化性能的測定。結構的鑒定和表征在無機合成中具有重要的指導作用。四、無機合成中的結構鑒定和表征問題既包括了對合成產(chǎn)物的結構為了進一步指導合成反應的定向性和選擇性，有時還需對合成反應過程的中間產(chǎn)物的結構進行檢測，但由于無機反應的特殊性，這類問題的解決往往相當困難。NMR目前常用的結構鑒定和表征方法各種常規(guī)的化學分析結構分析儀器和實驗技術X射線粉末衍射差熱、熱重分析各類光譜UV-VisIRRamanEPR為了進一步指導合成反應的定向性和選擇性，有時還需對合成反應過一些特種的現(xiàn)代檢測手段紅外熱波無損檢測技術EDSLowenergyelectrondiffraction,LEEDAugurelectronspectrum,AESXPSIonscatteringspectrum,ISS測定需要在超高真空下進行TEMandHRTEMSEMSTMAFM一些特種的現(xiàn)代檢測手段紅外熱波無損檢測技術EDSLowen五、無機合成化學中的文獻資料問題

文獻資料是科研工作者獲取科學思想的重要途徑。系統(tǒng)地閱讀文獻資料，做好相應的知識準備。分析最新文獻，獲取思想形成自己的合成思路。實驗修正設計的合成路線，使自己變?yōu)楹细竦目蒲泄ぷ髡摺Ｎ?、無機合成化學中的文獻資料問題文獻資料是科研工作者獲取科表1-2一些與無機合成化學相關的國際、國內(nèi)著名的期刊雜志雜志名稱國家/出版社雜志名稱國家/出版社NatureMaterialsAngwe.Chem.Int.Ed.

J.Am.Chem.Soc.Adv.Mater.Adv.Funct.Mater.Chem.Mater.Chem.Commun.J.Mater.Chem.Chem.J.Europ.Europ.Inorg.Chem.

英國德國美國德國德國美國英國英國Wiley公司W(wǎng)iley公司

Inorg.Chem.Inorg.Chem.Commun.Cryst.GrowthDes.J.organometallicChem.J.Cryst.GrowthCryst.Res.Technol.高等學?；瘜W學報無機化學學報無機材料學報合成化學

美國Elsevier公司美國美國Elsevier公司W(wǎng)iley公司中國中國中國中國

表1-2一些與無機合成化學相關的國際、國內(nèi)著名的期刊雜志寫在最后成功的基礎在于好的學習習慣Thefoundationofsuccessliesingoodhabits70寫在最后成功的基礎在于好的學習習慣70結束語當你盡了自己的最大努力時，失敗也是偉大的，所以不要放棄，堅持就是正確的。WhenYouDoYourBest,FailureIsGreat,SoDon'TGiveUp,StickToTheEnd演講人：XXXXXX時間：XX年XX月XX日

結束語71合成化學研究生專業(yè)基礎課課件——無機合成化學合成化學研究生專業(yè)基礎課課件——無機合成化學無機合成化學是無機化學的一個重要組成部分涉及化學方面的全部內(nèi)容著重介紹了有代表性的無機新材料的合成技術。所涉及的內(nèi)容主要包括：1．無機合成化學概述2．特種條件下無機合成反應3．水熱-溶劑熱合成技術4．幾類重要的無機功能材料的制備

無機合成化學是無機化學的一個重要組成部分涉及化學方面的全部內(nèi)第一章無機合成化學概述

§1-1無機合成化學的意義

化學已經(jīng)成為一門滿足社會需要的中心科學，因為它與人類的日常生活如：食物、能源、材料、資源、環(huán)境及健康等密切相關。其中尤以合成化學為技術基礎的各種物質(zhì)起著至關重要的作用。作為化學學科中當之無愧的核心，合成化學已成為化學家改造世界創(chuàng)造未來最有力的工具。第一章無機合成化學概述§1-1無機合成化學的意義如19世紀染料工業(yè)的開創(chuàng)；20世紀中葉因高分子的合成，推動了非金屬合成材料工業(yè)的建立；上個世紀的50年代，無機固體造孔合成技術的進步直接導致了系列分子篩催化材料的開發(fā)，大大促進了石油加工和石化工業(yè)的革命性發(fā)展；本世紀初正在蓬勃發(fā)展的納米材料的合成和組裝技術也必將加快高新技術材料和相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。合成化學領域的每一次進步都會帶動產(chǎn)業(yè)的一次革命如19世紀染料工業(yè)的開創(chuàng)；合成化學領域的每一次進步都會帶動產(chǎn)隨著新興學科和高技術的蓬勃發(fā)展，作為合成化學中不可忽缺的組成部分，無機合成化學不僅是無機化學學科的一個重要分支，其與新材料的結合也成為當前無機化學領域最新的發(fā)展方向之一。無機合成化學的目標是獲得不同用途的無機材料，而無機材料的使用自古以來就是人類文明進步和時代劃分的標志。發(fā)展合成化學，不斷創(chuàng)造和開發(fā)新的物種，不僅是研究結構、性能及其相互關系，揭示新的規(guī)律與原理的基礎，也成為推動化學學科與相關學科發(fā)展的主要動力。隨著新興學科和高技術的蓬勃發(fā)展，作為合成化學中不可忽缺的組成高純度半導體計算機和現(xiàn)代通信；高強度、耐高溫結構材料航空航天工業(yè)不論是煉丹術，火藥、陶瓷的發(fā)明、金屬的冶煉，還是高溫超導材料、生物陶瓷、超硬材料以及信息與能源轉換材料的合成及其應用都是無機合成化學的重要成就。采用化學方法合成的新型無機材料的使用則是近代文明發(fā)展的標志。高純度半導體計算機和現(xiàn)代通信；采用化學方法合成的新型無機材毫無疑問，無機合成化學對人類社會的發(fā)展起著重要的促進作用，還將繼續(xù)為人類社會的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮出卓越的貢獻。如：(1)新能源開發(fā)(2)空間科技(3)微電子、光電子技術(4)激光技術

(5)紅外技術

毫無疑問，無機合成化學對人類社會的發(fā)展起著重要的促進作用，還人類社會的存在和發(fā)展是與能源密不可分的。然而地球上儲存的礦物能源已越來越少，尚未開采的原油儲藏量已不足兩萬億桶，可供開采時間≤95年。在2050年前，世界經(jīng)濟的發(fā)展將越來越多地依賴煤炭。其后在2250到2500年之間，煤炭也將消耗殆盡，礦物燃料供應枯竭。新能源開發(fā)人類社會的存在和發(fā)展是與能源密不可分的。然而地球上儲存的礦物面對能源危機，采取開源節(jié)流戰(zhàn)略，即一方面節(jié)約能源，提高現(xiàn)有能源的利用率；另一方面開發(fā)新能源。這兩方面都對材料提出了要求。如為了提高熱效率需要有耐高溫、機械性能良好的結構材料和隔熱性好的保溫材料。目前正在研究開發(fā)的新能源有磁流體發(fā)電、地熱、潮汐發(fā)電、風力發(fā)電、太陽能和核能的利用、燃料電池等。面對能源危機，采取開源節(jié)流戰(zhàn)略，即一方面節(jié)約能源，提高現(xiàn)有能如：磁流體發(fā)電需有特殊的導體材料作電極；

地熱、潮汐發(fā)電需要有耐沖刷、抗腐蝕性良好的結構材料；

太陽能轉換成電能、熱能，需要有廉價的轉換效率高的光電或光熱轉化材料，還需要有制取太陽能電池和經(jīng)久耐用、便于制造、性能穩(wěn)定的反射材料和選擇性涂層材料，以便有效地集聚光能；

核能需要有好的控制核反應的控制材料和防止核輻射的結構材料；

燃料電池需要解決固體電解質(zhì)材料問題。為有效地儲存能源還要有性能良好的電池材料和儲氫材料等。這些新的發(fā)電和能量轉換技術需要解決一系列的材料問題：如：磁流體發(fā)電需有特殊的導體材料作電極；這些新的發(fā)電和能量轉空間科技的發(fā)展，創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)和精神財富。如衛(wèi)星作為傳遞信息的樞紐，聯(lián)結世界各地，引起了通信體制的根本改變。2/3的國際電話業(yè)務和幾乎全部洲際電視轉播業(yè)務，均由國際通信衛(wèi)星承擔，每年營業(yè)額高達20億美元。通過各類應用衛(wèi)星進行偵察、預警、導航、廣播、考察、預報、測繪等，可以獲得巨大的軍事價值和經(jīng)濟效益?？臻g科技的發(fā)展離不開火箭、人造衛(wèi)星、飛船等航天器。這些航天器又是由各種功能材料建造的。由于航天航空的特殊環(huán)境，制造航天器用的材料，常需要有各種特殊的性能?？臻g科技：一門新興的綜合性尖端科學技術。包括航天器的設計、制造、發(fā)射和應用?？臻g科技的發(fā)展，創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)和精神財富。如衛(wèi)星作為傳遞信如火箭燃料燃燒時，其噴嘴溫度超過4000℃，并有腐蝕性。燃燒室內(nèi)的壓力高達20MPa，因此燃燒噴嘴要用隔熱性好，比熱容、潛熱大的耐高溫燒蝕材料制成；又如，宇宙飛船或航天飛機在返回地球時，大氣層與航天器間的摩擦作用使航天器表面溫度達到2000℃左右。一般的高溫材料已不能承受，因此常用隔熱陶瓷片加以保護?？傊?，各種耐高溫材料、高溫結構材料、燒蝕材料和涂層材料的研制成功，對空間技術的發(fā)展起了巨大的推動作用。可以相信，隨著現(xiàn)代無機合成化學的向前發(fā)展，空間科技將會因更多優(yōu)異性能的特種材料出現(xiàn)而有更大的發(fā)展。如火箭燃料燃燒時，總之，各種耐高溫材料、高溫結構材料、燒蝕材20世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業(yè)革命；隨后的70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技術的迅速發(fā)展，使人類進入了信息時代。現(xiàn)在以半導體材料和器件為基礎的微電子技術，不僅對現(xiàn)代工業(yè)、國防、科學技術等產(chǎn)生巨大的影響，而且對人類日常生活的方方面面都有著深遠的影響。微電子、光電子技術20世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電微電子技術的基礎：無機半導體材料按其化學成分和內(nèi)部結構元素半導體(如Ge、Si、Se、B、Te、Sb)；化合物半導體(如GaAs、InP、InSb、SiC、CdS等)；無定形半導體材料(如氧化物玻璃和非氧化物玻璃)等是無機合成化學的研究內(nèi)容之一。微電子技術的基礎：無機半導體材料按其化學成分和內(nèi)部結構元素半微電子技術還需要高頻絕緣材料、熒光材料、場致發(fā)光材料和襯底用材料等，幾乎都屬于新型無機材料之類，也是無機合成化學的研究對象。固體電子器件向小型化、高速化、復合化和高可靠性發(fā)展，及滿足大規(guī)模集成電路的要求，對材料的無機合成技術也提出了更高的要求。迅猛發(fā)展的納米材料合成技術會對微電子技術的發(fā)展起著巨大的促進作用。微電子技術還需要高頻絕緣材料、熒光材料、場致發(fā)光材料和襯底用微電子技術推動了以計算機、因特網(wǎng)、光纖通信等為代表的信息技術的高速發(fā)展。隨著信息技術的發(fā)展，大容量光纖通信網(wǎng)絡的建設，光電子技術將起到越來越重要的作用。------美國商務部，上世紀90年代“全世界的光子產(chǎn)業(yè)以比微電子產(chǎn)業(yè)高得多的速度發(fā)展，誰在光電子產(chǎn)業(yè)方面取得主動權，誰就將在21世紀的尖端科技較量中奪魁”。微電子技術推動了以計算機、因特網(wǎng)、光纖通信等為代表的信息技術光電子技術國防、航天航空、光學加工、電子、通訊、顯示、測試儀器等領域發(fā)展的基礎，在未來的光計算中發(fā)揮重要作用。同微電子技術一樣，各種電子與光電子功能材料是發(fā)展電子學與光電子學的基礎與先導。半導體單晶和石英光纖對于電子學和通訊，以至經(jīng)濟和社會發(fā)展所帶來的影響和沖擊，清楚地說明了這種基礎和先導作用。光電子技術國防、航天航空、光學加工、電子、通訊、顯示、測試儀20世紀60年代初出現(xiàn)的硅單晶給電子學帶來了劃時代的變革，使電子技術從真空電子時代進入固體微電子時代。以半導體單晶為例：集成電路改變了以計算機和通訊為代表的整個電子技術，甚至改變了人類的生活和工作方式。硅單晶所帶來的變革和沖擊仍在迅速擴展，并有可能延續(xù)很長一段時間。20世紀60年代初出現(xiàn)的硅單晶給電子學帶來了劃時代的變革，使GaAs單晶的出現(xiàn)，使電子器件的工作頻率擴展到了微波和毫米波段，促進了現(xiàn)代通訊技術的發(fā)展，并以其優(yōu)良的光電特性開創(chuàng)了光電子時代。InP材料的出現(xiàn)以其高的電子遷移率和高的響應頻率使得在同一芯片上實現(xiàn)光電集成成為可能，為光電子技術打下了基礎。以HgCdTe為代表的第四代半導體材料，則使器件的工作頻率從毫米波擴展到紅外波段，使得信息的處理由電發(fā)展到光，為光子技術的發(fā)展準備了條件。GaAs單晶的出現(xiàn)，使電子器件的工作頻率擴展到了微波和毫米波當然，除了半導體材料外，電子與光電子功能材料還包括介電材料、磁性材料和光學與非線性光學材料等。由此可見，在國民經(jīng)濟和國防建設中，高新技術的發(fā)展將越來越依賴于在材料方面所取得的發(fā)展和突破。而上述各類材料的制備和性能研究正是無機合成化學研究的內(nèi)容。當然，除了半導體材料外，電子與光電子功能材料還包括介電材料、激光技術激光是一種受激發(fā)射而放大的特殊光源，具有亮度高、單色性、聚能與方向性強等特點。1960年7月美國T.H.梅曼研制成功紅寶石固體激光器，標志了激光技術的創(chuàng)立。接著又用氣體、半導體、染料等為工作物質(zhì)實現(xiàn)了激光振蕩，促進了激光技術的發(fā)展。激光技術激光是一種受激發(fā)射而放大的特殊光源，具有亮度高、單色激光技術被認為是20世紀繼量子物理學、無線電技術、原子能技術、半導體技術、電子計算機技術之后的又一重大科學技術新成就。目前，激光技術已廣泛運用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、軍事乃至社會生活的方方面面，對人類社會的進步正起著越來越重要的作用。激光技術被認為是20世紀繼量子物理學、無線電技術、原子能技采用激光進行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通過光的衍射，就能復現(xiàn)被攝取物體栩栩如生的立體形象。如：激光在信息領域的應用：激光在全息術領域的應用：半導體激光器和光纖放大器是光纖通信的兩項關鍵技術。利用激光技術進行光存儲，使信息的存儲發(fā)生了革命性的飛躍。此外，激光打印機、激光傳真機、激光照排、激光大屏幕彩色電視、光纖有線電視以及大氣激光通訊等均已得到廣泛應用。采用激光進行全息攝影，被拍物體的全部信息都被記錄在底片上，通在紅寶石固體激光器件研制成功之后，為尋找性能更好的固體激光工作物質(zhì)進行了大量的探索工作。稀土激光材料因其特殊的電子組態(tài)、眾多可利用的電子能級和光譜特性，成為國內(nèi)外研究、開發(fā)和應用最活躍的體系。相繼研制出了摻釹的鎢酸鈣、釔鋁石榴石、鋁酸釔、過磷酸釹和各種氟化物晶體，然而，有實用價值的僅有紅寶石、釔鋁石榴石和釹玻璃等少數(shù)幾種。主要原因是其他工作物質(zhì)的轉換效率低，又難以得到尺寸大且質(zhì)量均勻的晶體。所以，探索質(zhì)量更好的工作物質(zhì)仍然是從事無機材料合成工作的科研工作者面臨的一項重要任務。激光技術的出現(xiàn)，從一開始就與材料有著密切的聯(lián)系。在紅寶石固體激光器件研制成功之后，為尋找性能更好的固體激光工紅外技術是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳播、轉化和測量及應用的一門新興技術。在軍事和國民經(jīng)濟各部門有巨大的應用價值。紅外技術的發(fā)展取決于紅外探測器的發(fā)展紅外技術是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳播、轉化和測量及應用的一門新1940年以前研制成熱敏型紅外探測器；20世紀50年代半導體物理學的發(fā)展，推進了以PbS為開端的光電型紅外探測器的發(fā)展60年代中葉起，紅外探測器向兩個方向發(fā)展：①在1～14微米范圍內(nèi)，由單元向多元發(fā)展。碲鎘汞材料是發(fā)展多元探測器的基礎材料。根據(jù)不同的配比，可制成響應不同波段的各種探測器。它還具有若干特別符合紅外探測器要求的特性，用它制成的探測器，堪與過去在1～14微米范圍的各種光電探測器相比。1940年以前研制成熱敏型紅外探測器；60年代中葉起，紅外探②響應波段向長波延伸，從幾十微米到幾百微米以至幾千微米。60年代，激光的出現(xiàn)極大地影響了紅外技術的發(fā)展。很多重要的激光都在紅外波段，其探測性能比功率探測提高好幾個數(shù)量級。雷達和通信等都有可能在紅外波段實現(xiàn)，而且可以得到更高的分辨率和更大的信息容量。由于這類應用的需要，出現(xiàn)了新的探測器件和新的輻射傳輸方式。②響應波段向長波延伸，從幾十微米到幾百微米以至幾千微米。紅外光是波長介于可見光與微波之間的電磁波(但目前能利用的波段僅僅是0.75～13微米的近紅外和中紅外波段)。對這一波段敏感、具有透過和反射性能的各種材料，是制造紅外裝置的核心。已研制和大量使用的半導體材料有：PbS、InSb、HgCdTe、InSbAs、PbTe、ZnS、ZnSe、PbEuTe等鐵電晶體或多晶體有：Ag2TaO4、PbGeO3、PbTiO3等。紅外光是波長介于可見光與微波之間的電磁波(但目前能利用的波段透過紅外的窗口材料也是紅外裝置上需要的一種重要材料，有Ge、Si、Se、Mg3N2、Ca3N2、ZnS等各種無機單晶、多晶材料。制造紅外光譜儀的分光棱鏡也需要用到各種紅外分光晶體。依波長不同，使用的材料主要有水晶和Ca3N2、NaCl、KBr等堿金屬、堿土金屬的化合物晶體。這些無機紅外功能材料都是通過無機合成化學制備出來的。透過紅外的窗口材料也是紅外裝置上需要的一種重要材料，有Ge、現(xiàn)代科學技術的發(fā)展需要各種各樣的無機功能材料，它們相互依存，又相互促進，彼此密切相關。而各種無機功能材料均需依靠近代無機合成技術把它們一個個制備出來，以滿足科學技術發(fā)展的需要。綜上所述現(xiàn)代科學技術的發(fā)展需要各種各樣的無機功能材料，它們相互依存，§1-2無機合成化學的研究內(nèi)容隨著合成化學、特種合成實驗技術和結構化學、理論化學等的發(fā)展，生命、材料、計算機等相鄰學科的交叉、滲透，以及實際應用上的需求，無機合成化學的內(nèi)涵已被大大擴充。不只局限于傳統(tǒng)的常規(guī)合成，開始進入到大量特種實驗技術與方法下的合成(包括了制備和組裝科學)，研究具有特定結構和性能的無機材料的定向設計合成與仿生合成等。同時與其它學科領域的關系也日益密切，從而使其涉及的內(nèi)容更廣。

§1-2無機合成化學的研究內(nèi)容隨著合成化學、特種合成實驗一、特定結構或特殊凝聚態(tài)的無機材料的合成及相關技術路線與規(guī)律的研究

材料的性能與物質(zhì)的結構密切相關，結構不同，即使由相同的元素組成的物質(zhì)其性質(zhì)也會有明顯的不同，如石墨和金剛石；-Fe2O3和-Fe2O3等。物質(zhì)的性質(zhì)也受聚集狀態(tài)調(diào)控，如體材料與納米級材料；多晶和單晶材料；球形納米粒子與納米棒、納米線、納米管等。此外，通過材料之間的復合、組裝與雜化而形成的各種無機功能材料，因其獨特的性能和廣泛的應用前景而成為現(xiàn)代無機合成研究的對象之一。

一、特定結構或特殊凝聚態(tài)的無機材料的合成及相關技術路線與規(guī)律因此，無機合成與制備工作者的一個重要任務是：開發(fā)新合成反應、制備路線與技術，把這類材料精雕細琢成具有特定結構與聚集態(tài)的無機物或其相關材料，了解和掌握其相關的合成規(guī)律與基礎理論，并進一步用來指導具有特定結構或聚集態(tài)的無機材料的合成。無機合成和有機合成的區(qū)別：有機合成主要是分子層次上反應和加工無機合成主要注重晶體或其他凝聚態(tài)結構上的精雕細琢。因此，無機合成與制備工作者的一個重要任務是：開發(fā)新合成反應、二、極端條件下無機材料的合成和相關技術路線的基礎性研究許多物質(zhì)需要在極端條件下才能被合成如超高壓、超高溫、超高真空、超低溫、強磁場或電場、失重、激光、等離子體等二、極端條件下無機材料的合成和相關技術路線的基礎性研究許多物極端條件下合成的物質(zhì)在性質(zhì)上往往表現(xiàn)出明顯不同于溫和條件下合成的物質(zhì)。如，在太空中的高真空、無重力的情況下，可以合成出沒有位錯的高純度晶體；在超高壓下，許多物質(zhì)的禁帶寬度及內(nèi)外層軌道的距離均會發(fā)生變化，從而使元素的穩(wěn)定價態(tài)與通常條件下有所差別。因而有人認為在超高壓下，整個元素周期表要被改寫；而在中溫中壓水熱條件下，可以合成出具有特定價態(tài)、特殊構型與形貌的晶體，從而替代或彌補目前大量無機功能材料的高溫固相反應的不足。極端條件下合成的物質(zhì)在性質(zhì)上往往表現(xiàn)出明顯不同于溫和條件下合我國已積極開展極端條件下的無機功能材料的合成和性能研究，如在神舟系列宇宙飛船上從事高真空、無重力條件下的材料合成等，已取得一些豐富的成果，但由于開展極端條件下無機合成的時間較短，基礎薄弱，總體上仍落后于世界發(fā)達國家。積極開展極端條件下無機功能材料的合成研究、探索其合成與制備化學的基本規(guī)律，開發(fā)新的合成路線與實驗技術是擺在我國無機合成化學工作者面前的一項迫切的任務。開拓極端條件下合成新化合物、新物相與新物態(tài)的方法與路線，對材料科學的發(fā)展具有重大的促進作用和現(xiàn)實意義。我國已積極開展極端條件下的無機功能材料的合成和性能研究，如在三、生物礦化與仿生合成技術及其在無機材料合成中的應用研究從分子層次上實現(xiàn)對化學反應的控制是化學家長期以來不斷追求的目標。生物體具有這樣的能力。且在生物體內(nèi)形成的無機礦物在結構與功能上也明顯優(yōu)于普通化學沉淀法生成的礦物。三、生物礦化與仿生合成技術及其在無機材料合成中的應用研究從分

生物礦化的奇特之處在于其過程是一個天然存在的高度控制過程，受生物機體內(nèi)在機制調(diào)制，可以實現(xiàn)從分子水平到介觀水平上對晶體形狀、大小、結構、取向和排列的精確控制和組裝，從而形成復雜的分級結構，具備特殊的光、磁和力學性能。生物礦化作用廣泛存在于生物界，所生成的礦物在生物體中承擔了聽覺感受、重力感受、利用地球磁場導航、臨時儲存離子、硬化和強化特定生物組織等多種作用。生物礦化的奇特之處在于其過程是一個天然存在的高度控制表1-1生物體內(nèi)主要的無機礦物的種類及其功能礦物化學組成生物體/功能碳酸鈣（方解石）CaCO3海藻/外骨骼；軟體動物/視網(wǎng)膜碳酸鈣（方石）CaCO3魚類/魚耳石；軟體動物/殼碳酸鈣（球霰石）CaCO3海鞘骨碳酸鈣(無定形)CaCO3nH2O高等植物/存儲Ca羥磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2牙齒、骨骼、魚鱗/存儲Ca氟磷灰石Ca10(PO4)6F2牙齒、軟體動物殼磷酸八鈣Ca8H2(PO4)6·5H2O牙齒草酸鈣石CaC2O4·H2O高等植物/存儲Ca水草酸鈣石CaC2O4·2H2O高等植物/存儲Ca表1-1生物體內(nèi)主要的無機礦物的種類及其功能礦物化學組成石膏CaSO4水母/魚耳石重晶石BaSO4海藻、蛤殼天青石SrSO4棘刺蟲無定形二氧化硅SiO2·nH2O海綿骨骼、硅藻細胞壁磁鐵礦Fe3O4細菌、石鱉牙、牙齒針鐵礦-FeO(OH)礪牙纖鐵礦-FeO(OH)裸藻、細篦水鐵礦5Fe2O3·9H2O動物、高等植物/鐵蛋白黃鐵礦FeS2細菌磁復鐵礦Fe3S4細菌石膏CaSO4水母/魚耳石重晶石BaSO4海藻、蛤殼天青石S黑錳礦Mn3O4細菌冰H2O細菌氯銅礦Cu2(OH)3Cl蟲嘴金屬單質(zhì)Ag/Au細菌硫化鎘CdS細菌黑錳礦Mn3O4細菌冰H2O細菌氯銅礦Cu2(OH)3Cl蟲近年來，生物礦化的這種自裝配、分級結構、納米尺度的特征受到了來自化學、物理、材料和生物等多個領域科學家的關注，使以模擬生物礦化來制備精密、復雜無機材料的仿生合成成為21世紀合成化學中的前沿領域之一。仿生合成技術展現(xiàn)了非常誘人的前景。近年來，生物礦化的這種自裝配、分級結構、納米尺度的特征受到了生物礦化過程一般分為4個階段：1.有機大分子預組織2.界面分子識別3.生長調(diào)制4.細胞加工生物礦化過程一般分為4個階段：1.有機大分子預組織2.界面分1.有機大分子預組織礦物沉積前構成一個有組織的反應環(huán)境，以決定無機物成核的位置2.界面分子識別在已形成的有機大分子組裝體的控制下，無機物從溶液中有機/無機界面處成核。分子識別表現(xiàn)為有機大分子在界面處通過晶格幾何特征、靜電勢相互作用、極性、立體化學因素、空間對稱性和基質(zhì)形貌等方面影響與控制無機物成核的部位、結晶物質(zhì)的選擇、晶型、取向及形貌1.有機大分子預組織礦物沉積前構成一個有組織的反應環(huán)境，以決在細胞參與下亞單元組裝成高級結構。這是造成天然生物礦化材料與人工材料差別的主要原因。3.生長調(diào)制無機相通過晶體生長進行組裝得到亞單元，同時形態(tài)、大小、取向和結構受到有機分子組裝體的控制；4.細胞加工在細胞參與下亞單元組裝成高級結構。3.生長調(diào)制無機相通過晶體其一般過程是：自組裝技術的發(fā)展就是借鑒上述生物礦化現(xiàn)象及其原理進行無機功能材料合成的直接結果。形成有機物的自組裝體無機前驅(qū)物在自組裝體與溶液相的界面處發(fā)生化學反應在自組裝體的模板作用下無機/有機復合體除去有機模板一定形狀的無機材料其一般過程是：自組裝技術的發(fā)展就是借鑒上述生物礦化現(xiàn)象及其原表面活性劑在溶液中可以形成膠束、液晶、囊泡及微乳液等自組裝體，在現(xiàn)代無機材料的合成過程中被大量用作模板。此外，一些生物大分子和生物中的有機質(zhì)也可用作模板。迄今為止，利用仿生合成方法已合成了包括納米微粒、薄膜、多孔材料、涂層及與天然生物礦物相似的復雜形貌的無機材料。表面活性劑在溶液中可以形成膠束、液晶、囊泡及微乳液等自組裝體四、組合化學在無機材料的制備領域的應用研究組合化學也稱組合合成，組合庫和自動合成法。是一門集合成化學、組合數(shù)學和計算機輔助設計等多學科交叉形成的一門邊緣學科。組合化學可定義為利用組合論的思想和理論，將構建單元通過有機/無機合成或化學法修飾，產(chǎn)生分子多樣性的群體庫，并進行優(yōu)化選擇的科學。四、組合化學在無機材料的制備領域的應用研究組合化學也稱組合無機功能材料的制備，除固相反應等常用的制備方法外，還包括離子濺射、激光沉積、金屬有機化合物氣相沉積等物理方法。所制材料本身也發(fā)生了較大的變化，如尺寸從體相深化到納米相，且更注重材料的形貌及表面/界面特性，組成也更趨復雜；此外，還包括復合材料、雜化材料的制備研究。如何高效地設計和制備需要的材料體系，并調(diào)控體系的組成、相態(tài)和形貌，確定其功能特性，從中篩選出所需的功能材料，一直是材料科學工作者追求的目標。組合化學在無機功能材料的設計、制備和功能篩選上應用廣泛無機功能材料的制備，除固相反應等常用的制備方法外，還包括離子己應用于高技術功能材料的研究和開發(fā)，且潛力巨大。在無機合成領域的范圍更加寬廣。國內(nèi)利用組合化學在無機功能材料的合成與表征方面做了一些工作，特別是在數(shù)據(jù)庫與化學合成相結合方面積累了很多經(jīng)驗。組合合成法的優(yōu)點1.可大范圍調(diào)控材料的組分2.利用最少的步驟同時合成和篩選大量材料3.降低材料制備過程的環(huán)境污染等己應用于高技術功能材料的研究和開發(fā)，且潛力巨大。組合合成法的主要進展無機多核陰離子簇(作為均相催化劑)組合庫的建立等有機固體及高聚物無機催化劑固體材料領域超導材料巨磁阻材料介電及鐵電材料發(fā)光材料分子篩電致氧化、催化、合金化合物的組合化學合成主要進展無機多核陰離子簇(作為均相催化劑)組合庫的建立等有以無機微孔材料、無機/有機雜化材料中存在的基本結構單元為基礎，組合合成具有設計結構單元的化合物。功能材料組合庫的合成與表征，包括無機功能材料，如發(fā)光材料，鐵電、介電材料，巨磁阻材料等。相比國外在相關領域的研究工作，我國還有較大的差距。我國應在現(xiàn)有的工作基礎上，結合組合制備和性能測定方法的特長，集中精力選擇以下幾個方面有潛力的方向開展研究：1.無機結構基元或虛擬結構基元的組合化學。以無機微孔材料、無機/有機雜化材料中存在的基本結構單元為基礎激光噴涂組合化學研究主客體組裝組合化學等2.分子工程學研究中的組合化學。結構化學組合庫的建立特殊結構基元的組合化學結構的多級調(diào)控和生物礦化過程模擬水熱與溶劑熱合成化學規(guī)律等。包括3.特殊技術和特定結構組合化學。4.無機材料組合合成技術與表征方法的基礎研究。如激光噴涂組合化學研究2.分子工程學研究中的組合化學。結構化6.從熱力學平衡角度研究材料的相態(tài)、結構及穩(wěn)定性，獲得所述材料體系的相圖，同時進行性能測定，由此全面掌握不同組成、結構和工作溫度下的材料特性。5.固體氧化物燃料電池中新型中、低溫(600-800℃)區(qū)工作的固體復合氧化物電解質(zhì)材料的探索和篩選。包括組合化學自身的理論研究。7.無機材料組合化學基礎理論研究。6.從熱力學平衡角度研究材料的相態(tài)、結構及穩(wěn)定性，獲得所述針對制備具有高效光、電、磁等性質(zhì)的無機功能材料，發(fā)展組合化學的設計原理和方法，研究材料性質(zhì)與微結構、形貌和形態(tài)、制備條件等因素間的關系和規(guī)律，必將為無機功能材料的研究和開發(fā)提供新的方法和技術。小結針對制備具有高效光、電、磁等性質(zhì)的無機功能材料，發(fā)展組合化學五、節(jié)能、潔凈、經(jīng)濟等綠色合成反應與工藝的基礎性研究

20世紀90年代初，化學家們提出了綠色化學的概念。近十幾年來，綠色化學、環(huán)境溫和化學、潔凈技術、環(huán)境友好過程等已為普通大眾所接受。合理選擇使用無毒性化學品、具有生態(tài)相容性的溶劑和可再生材料成為綠色化學研究的重要組成部分。關于綠色化學的概念、目標和基本原理等也都逐步明確，初步形成了一個多學科交叉的新的研究領域。五、節(jié)能、潔凈、經(jīng)濟等綠色合成反應與工藝的基礎性研究20世

一種理想的(最終是實效的)合成是指用簡單的、安全的、環(huán)境友好的、資源有效的操作，快速、定量地把價廉、易得的起始原料轉化為天然或設計的目標分子。1996年美國的Wender教授在國際著名期刊Chem.Rev.上撰文指出：給出了綠色合成的目標，指明了實現(xiàn)這一目標的主要途徑。一種理想的(最終