纳米材料前沿：稀土纳米材料

第1章绪论001
刘志伟，卞祖强，黄春辉
（北京大学化学与分子工程学院）
1.1　稀土元素简介 002
1.1.1　稀土元素的概念 002
1.1.2　稀土元素的电子结构 002
1.1.3　稀土元素的价态 003
1.1.4　稀土元素的化学键 005
1.1.5　稀土元素的半径 006
1.2　稀土化合物的性质 008
1.2.1　稀土化合物的发光性质 008
1.2.2　稀土化合物的磁学性质 012
1.3　稀土化合物纳米材料及其应用 017
1.3.1　稀土有机- 无机杂化发光纳米材料 017
1.3.2　白光LED 稀土发光材料 018
1.3.3　稀土上转换发光纳米材料 019
1.3.4　稀土单分子磁体 020
1.3.5　稀土巨磁电阻材料 021
1.3.6　稀土催化材料 022
1.3.7　稀土电化学能源材料 023
参考文献 024

第2章稀土有机-无机杂化发光纳米材料027
李焕荣，李志强，张洪杰
（河北工业大学化工学院，中国科学院长春应用化学研究所）
2.1　概述 028
2.1.1　稀土离子的光谱性质 028
2.1.2　有机- 无机杂化材料的特点 033
2.1.3　有机- 无机杂化材料的分类 034
2.1.4　稀土有机- 无机杂化材料研究的发展历程 035
2.2　稀土有机- 无机凝胶杂化发光材料 036
2.3　稀土有机- 无机微孔杂化发光材料 039
2.4　稀土有机- 无机介孔杂化发光材料 049
2.5　稀土有机- 无机高分子杂化发光材料 054
2.5.1　单一体系 054
2.5.2　复合体系 056
2.6　稀土有机- 无机多功能杂化材料 058
2.7　其他稀土有机- 无机杂化发光材料 059
2.7.1　稀土配合物插层发光材料 060
2.7.2　稀土配合物- 离子液体杂化发光材料 063
参考文献 065

第3章白光LED稀土发光材料073
尤洪鹏
（中国科学院长春应用化学研究所）
3.1　概述 074
3.1.1　白光LED 的发光原理 075
3.1.2　白光LED 稀土发光材料的特性 077
3.2　铝酸盐体系发光材料 079
3.2.1　YAG：Ce3+ 系列发光材料 079
3.2.2　Sr3AlO4F：RE（RE=Eu，Tb，Er，Tm，Ce）系列发光材料 081
3.2.3　LaSr2AlO5：Ce3+ 黄色发光材料 083
3.2.4　BaAl2O4：Eu2+黄色发光材料 084
3.3　硅酸盐体系发光材料 086
3.3.1　Li2SrSiO4：Eu2+发光材料 088
3.3.2　Ca3Sc2Si3O12：Ce3+ 发光材料 089
3.3.3　(Ca,Sr)7(SiO3)6Cl2：Eu2+发光材料 090
3.3.4　K2Ba7Si16O40：Eu2+发光材料 091
3.4　磷酸盐体系发光材料 093
3.4.1　稀土掺杂的ABPO4 095
3.4.2　Sr3GdNa(PO4)3F：Eu2+,Mn2+ 097
3.4.3　Ba3LaNa(PO4)3F：Eu2+,Tb3+ 098
3.5　氮（氧）化物发光材料 099
3.5.1　SrAlSi4N7：Eu2+发光材料 102
3.5.2　M[LiAl3N4]：Eu2+(M=Sr，Ca) 发光材料 103
3.5.3　(Ca， Sr)[Mg3SiN4]：RE 发光材料 105
3.6　白光LED 稀土发光材料的应用 107
3.6.1　Ce3+ 激活的稀土石榴石基发光材料 107
3.6.2　Eu2+激活的碱土硅酸盐发光材料 109
3.6.3　Eu2+激活的氮化物发光材料 110
3.6.4　Eu2+激活的氮氧化物发光材料 115
参考文献 119

第4章稀土上转换发光纳米材料133
李富友
（复旦大学化学系）
4.1　概述 134
4.1.1　稀土上转换发光纳米材料的几种上转换发光机制 134
4.1.2　稀土上转换发光纳米材料的组成 137
4.1.3　影响上转换发光效率的因素 139
4.1.4　影响上转换发射颜色的因素 140
4.2　稀土上转换发光纳米材料的制备方法 143
4.2.1　水热/ 高沸点溶剂热法 143
4.2.2　高温热分解法 144
4.2.3　其他方法 144
4.3　稀土上转换发光纳米材料的表面修饰 145
4.3.1　两步法合成亲水的稀土上转换发光纳米材料 145
4.3.2　一步法合成亲水的稀土上转换发光纳米材料 148
4.3.3　稀土上转换发光纳米材料的表面功能化 149
4.4　稀土上转换发光纳米材料在生物医学领域的应用 151
4.4.1　在分子检测中的应用 151
4.4.2　在细胞和活体荧光成像上的应用 152
参考文献 164

第5章场发射显示器用稀土发光材料171
林君，程子泳
（中国科学院长春应用化学研究所）
5.1　概述 172
5.1.1　场发射显示器的工作原理及研究进展 173
5.1.2　场发射显示对发光材料的要求 175
5.1.3　FED 常用的发光材料 176
5.2　FED 用发光材料的合成 177
5.2.1　Pechini 溶胶- 凝胶法 178
5.2.2　沉淀法 180
5.2.3　水热/ 溶剂热法 182
5.2.4　静电纺丝法 185
5.2.5　喷雾热解法 187
5.2.6　构建核壳结构 188
5.3　FED 用发光材料的性能调控与优化 190
5.3.1　材料组分的优化 190
5.3.2　导电性的提高 193
5.3.3　稳定性的提高 208
5.4　薄膜和图案化FED 发光材料 210
5.4.1　软石印技术 211
5.4.2　喷墨打印法 214
5.5　总结与展望 217
参考文献 217

第6章稀土单分子磁性材料223
唐金魁，张鹏，王炳武，高松
（中国科学院长春应用化学研究所，
北京大学化学与分子工程学院）
6.1　单分子磁体的理论基础 226
6.1.1　弛豫动态学 226
6.1.2　各向异性能垒 232
6.2　稀土单分子磁体 235
6.2.1　镧系离子的磁学性质 236
6.2.2　静电排斥模型 238
6.2.3　理论计算 240
6.2.4　先进实验测试方法 241
6.3　稀土单离子分子磁体 247
6.3.1　量子隧穿 248
6.3.2　双酞菁夹心稀土单离子分子磁体 249
6.3.3　多酸类稀土单离子分子磁体 251
6.3.4　β - 二酮类单离子分子磁体 252
6.3.5　金属有机类单离子分子磁体 254
6.4　双核稀土单分子磁体 256
6.4.1　N23- 自由基桥联的双核稀土单分子磁体 257
6.4.2　源于酰腙配体的不对称双核稀土单分子磁体 258
6.4.3　各向异性磁相互作用 258
6.4.4　桥联配体的选择 260
6.5　多核稀土单分子磁体 262
6.5.1　单分子磁环（SMT） 262
6.5.2　高能垒多核稀土单分子磁体 265
参考文献 267

第7章稀土巨磁电阻材料277
孟健，刘孝娟
（中国科学院长春应用化学研究所）
7.1　巨磁电阻效应 278
7.2　稀土在设计半金属性（half-metal）巨磁电阻材料中的特殊应用 279
7.3　HM稀土巨磁电阻材料的计算机理论模拟 280
7.3.1　密度泛函理论概述 280
7.3.2　LDA+U 及GGA+U 法 284
7.3.3　稀土诱导的半金属性质及其对磁性的微调谐 285
7.3.4　稀土对扩展超交换磁耦合强度的微调谐 288
7.3.5　外延应力对HM 稀土巨磁电阻材料的性能影响 290
7.4　稀土在巨磁电阻材料中应用的实验研究 293
7.4.1　阳离子有序度的微调控 293
7.4.2　阳离子有序度对磁耦合性能的影响 299
7.5　稀土对磁介电材料结构及电性能的影响 301
7.5.1　稀土离子镧系收缩对晶体结构和磁性质的影响 301
7.5.2　稀土镧系收缩对介电性能的影响 305
参考文献 307

第8章稀土陶瓷材料313
施伟东，宋术岩
（江苏大学化学化工学院，中国科
学院长春应用化学研究所）
8.1　稀土在陶瓷中的作用机理 314
8.2　稀土改性超导陶瓷 316
8.3　稀土改性压电陶瓷 318
8.4　稀土改性导电陶瓷 319
8.5　稀土改性介电陶瓷 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应用 325
参考文献 326

第9章稀土催化材料329
宋卫国，曹昌燕
（中国科学院化学研究所）
9.1　稀土元素在催化剂中的作用机理 330
9.2　稀土催化剂在工业废气净化中的应用 332
9.2.1　稀土催化剂在烟气脱硫、脱硝中的应用 333
9.2.2　稀土催化材料在工业废气和人居环境净化中的应用 334
9.3　稀土催化剂在汽车尾气净化中的应用 338
9.3.1　储放氧材料 339
9.3.2　碳氢低温起燃催化剂 339
9.3.3　碳烟氧化催化剂 340
9.3.4　NH3-SCR催化材料 341
9.4　稀土催化剂在光催化环境净化中的应用 342
9.4.1　在气相污染物光催化净化中的应用 343
9.4.2　在光催化氧化水体中有机污染物中的应用 345
9.4.3　在灭菌杀毒中的应用 346
参考文献 347

第10 章稀土电化学能源材料353
林静，梁飞，王立民，常志文，张新波
（中国科学院长春应用化学研究所）
10.1　稀土纳米材料在镍氢电池中的应用 354
10.1.1　镍氢电池的工作原理 354
10.1.2　稀土纳米材料在镍氢电池负极材料中的应用 355
10.1.3　镍氢电池负极材料的回收 356
10.2　稀土纳米材料在锂电池中的应用 358
10.2.1　锂离子电池的工作原理 358
10.2.2　稀土掺杂在锂离子电池电极材料中的应用 359
10.2.3　稀土纳米材料在锂-空气电池中的应用 360
10.3　 稀土纳米材料在固体氧化物燃料电池中的应用 365
10.3.1　固体氧化物燃料电池的工作原理 365
10.3.2　稀土在电解质材料中的应用 366
10.3.3　稀土在阴极材料中的应用 367
10.3.4　稀土在阳极材料中的应用 368
10.3.5　稀土在连接材料中的应用 368
10.4　稀土纳米材料在超级电容器中的应用 368
参考文献 371

索引 375