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目次
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二維納米材料是指在一個維度上具有納米尺寸的納米材料。在眾多的無機層狀材料中,層狀復合氫氧化物(layered double hydroxides, LDHs)就是一類層狀二維納米材料。此類納米材料具有插層組裝和層板組成結構可控等特點,且納米級的結晶尺寸和納米級的層間區域使其成為一類獨具特色的二維納米材料。《二維納米復合氫氧化物結構、組裝與功能》集作者研究團隊二十多年的研究成果,著眼于此類材料的二維納米結構與效應,首先介紹LDHs材料的結構和制備兩個基本問題,然后系統闡述此類材料在催化/吸附、光學、電化學、磁學和防腐蝕等方面的功能與應用。
作者簡介
段雪 北京化工大學教授,中國科學院院士。1982年獲吉林大學學士學位, 1984年和1988年獲中國科學院碩士和博士學位。經30余年的持續研究,形成了“插層組裝與產品工程”特色研究方向,圍繞其開展了系統的應用基礎研究和工程化研究。將研究成果應用于大規模工業實踐,實現了多項成果轉化。在AIChE J和Chem Eng Sci等國際化工主流刊物,以及Angew Chem Int Ed、JACS和Adv Mater等國際重要刊物發表了一批高水平論文。獲國家發明專利授權60余件和美國專利授權5件。獲國家技術發明二等獎(2項)和國家科技進步二等獎(1項)等多項科技成果獎勵,先后獲得國家有突出貢獻的中青年專家、全國“五一”勞動獎章、全國杰出專業技術人才、“長江學者獎勵計劃”特聘教授等榮譽稱號。2000~2008年任化工資源有效利用國家重點實驗室第一任主任。現擔任國務院學位委員會化工學科評議組成員、國家自然科學基金委化學部專家咨詢委員會委員、英國皇家化學會會士、Structure and Bonding編委、國家安全生產化工專家組專家等多項學術職務。
名人/編輯推薦
國家出版基金項目。層狀復合氫氧化物(LDHs)是一類具有特色的二維納米材料。《二維納米復合氫氧化物:結構、組裝與功能》一書是作者研究團隊二十余年的研究成果。
目次
《納米科學與技術》叢書序
前言
第1章緒論
1.1二維納米材料概述
1.1.1二維納米材料簡介
1.1.2二維納米材料的特點
1.1.3二維納米材料的研究進展
1.2二維納米材料——層狀復合氫氧化物(LDHs)
1.2.1結構、性質及應用研究
1.2.2 LDHs中的二維納米效應
1.2.3 LDHs二維納米材料的研究進展
參考文獻
第2章二維納米復合氫氧化物的結構
2.1引言
2.2層板結構
2.2.1水鎂石陽離子取代型
2.2.2層板陽離子長程無序型
2.2.3層板陽離子有序型
2.2.4三水鋁石有序填隙型
2.3 LDHs的層間結構
2.3.1層間陰離子有序型
2.3.2層間陽離子有序型
2.4 LDHs層板堆積方式
2.4.1 2H和3R結構
2.4.2分步插層結構
2.5插層特性
2.5.1插層結構中的超分子作用
2.5.2協同性、方向性和選擇性
2.5.3客一客體相互作用
2.5.4主一客體相互作用
2.5.5插層反應與離子交換
2.5.6分子識別
2.5.7電子轉移和能量轉換
2.6 LDHs結構模擬的理論方法
2.6.1電子結構計算方法
2.6.2分子模擬方法
2.7 LDHs理論研究進展
2.7.1分子動力學方法的應用
2.7.2量子力學方法的應用
2.8 LDHs結構構筑的理論基礎
2.8.1 LDHs插層結構構筑的經驗規則
2.8.2插層結構構筑基元的理論分類
2.8.3金屬元素的性質對層板結構的影響
2.8.4層板元素組成對插層結構的影響
2.8.5層板堆積方式對插層結構的影響
2.8.6類水滑石理論模擬的通用分子力場
參考文獻
第3章二維納米復合氫氧化物的制備
3.1 LDHs粉體材料的制備
3.1.1 1.DHs顆粒尺寸及形貌的影響因素
3.1.2 LDHs顆粒尺寸及形貌的控制方法
3.2 LDHs插層結構的構筑
3.2.1插層組裝的影響因素
3.2.2 1.DHs主體層板結構控制
3.2.3 LDHs層間客體結構控制
3.3超分子插層結構的構筑原則
3.3.1 LDHs熱力學研究
3.3.2 LDHs反應動力學研究
3.3.3 LDHs插層組裝的選擇性
3.4 LDHs插層結構薄膜的構筑
3.4.1層層組裝技術
3.4.2電泳沉積技術
3.4.3溶劑揮發技術
3.4.4原位生長技術
3.4.5其他制備技術
參考文獻
第4章二維納米復合氫氧化物的催化與吸附性能
4.1引言
4.2 LDHs作為層狀前驅體的結構特點
4.3層板剝離與高分散催化性能
4.4晶格限域效應與高分散催化性能
4.4.1層板內限域作用與內源性活性位
4.4.2層板外限域作用與外源性活性位
4.5插層組裝與高分散催化性能
4.5.1超分子插層選擇性氧化催化材料
4.5.2超分子插層生物催化材料
4.5.3超分子插層手性催化材料
4.6層狀結構陣列的高分散催化材料
4.7 LDHs結構與吸附性能
4.7.1吸附及其分類
4.7.2吸附平衡、吸附容量和吸附速度
4.7.3吸附對吸附劑的結構要求
4.7.4 LDHs吸附劑的表面及孔結構
4.7.5 LDHs層間陰離子的可交換性
4.7.6 LDHs的堿性
4.8 LDHs氣相吸附機理及應用
4.8.1 PVC熱穩定劑——吸附HCl
4.8.2碳減排——吸附CO2
4.9 LDHs液相吸附機理及應用
4.9.1吸附無機離子
4.9.2吸附有機物
4.9.3吸附陽離子
4.10 LDHs吸附熱力學與動力學
4.10.1 LDHs吸附熱力學
4.10.2 LDHs吸附動力學
參考文獻
第5章二維納米復合氫氧化物的光學性能
5.1 LDHs的光學性質
5.1.1光學功能材料簡介
5.1.2 LDHs層狀結構薄膜的光學性質
……
第6章二維納米復合氫氧化物的電化學性能
第7章二維納米復合氫氧化物的磁學性能
第8章二維納米復合氫氧化物的防腐蝕性能
索引
前言
第1章緒論
1.1二維納米材料概述
1.1.1二維納米材料簡介
1.1.2二維納米材料的特點
1.1.3二維納米材料的研究進展
1.2二維納米材料——層狀復合氫氧化物(LDHs)
1.2.1結構、性質及應用研究
1.2.2 LDHs中的二維納米效應
1.2.3 LDHs二維納米材料的研究進展
參考文獻
第2章二維納米復合氫氧化物的結構
2.1引言
2.2層板結構
2.2.1水鎂石陽離子取代型
2.2.2層板陽離子長程無序型
2.2.3層板陽離子有序型
2.2.4三水鋁石有序填隙型
2.3 LDHs的層間結構
2.3.1層間陰離子有序型
2.3.2層間陽離子有序型
2.4 LDHs層板堆積方式
2.4.1 2H和3R結構
2.4.2分步插層結構
2.5插層特性
2.5.1插層結構中的超分子作用
2.5.2協同性、方向性和選擇性
2.5.3客一客體相互作用
2.5.4主一客體相互作用
2.5.5插層反應與離子交換
2.5.6分子識別
2.5.7電子轉移和能量轉換
2.6 LDHs結構模擬的理論方法
2.6.1電子結構計算方法
2.6.2分子模擬方法
2.7 LDHs理論研究進展
2.7.1分子動力學方法的應用
2.7.2量子力學方法的應用
2.8 LDHs結構構筑的理論基礎
2.8.1 LDHs插層結構構筑的經驗規則
2.8.2插層結構構筑基元的理論分類
2.8.3金屬元素的性質對層板結構的影響
2.8.4層板元素組成對插層結構的影響
2.8.5層板堆積方式對插層結構的影響
2.8.6類水滑石理論模擬的通用分子力場
參考文獻
第3章二維納米復合氫氧化物的制備
3.1 LDHs粉體材料的制備
3.1.1 1.DHs顆粒尺寸及形貌的影響因素
3.1.2 LDHs顆粒尺寸及形貌的控制方法
3.2 LDHs插層結構的構筑
3.2.1插層組裝的影響因素
3.2.2 1.DHs主體層板結構控制
3.2.3 LDHs層間客體結構控制
3.3超分子插層結構的構筑原則
3.3.1 LDHs熱力學研究
3.3.2 LDHs反應動力學研究
3.3.3 LDHs插層組裝的選擇性
3.4 LDHs插層結構薄膜的構筑
3.4.1層層組裝技術
3.4.2電泳沉積技術
3.4.3溶劑揮發技術
3.4.4原位生長技術
3.4.5其他制備技術
參考文獻
第4章二維納米復合氫氧化物的催化與吸附性能
4.1引言
4.2 LDHs作為層狀前驅體的結構特點
4.3層板剝離與高分散催化性能
4.4晶格限域效應與高分散催化性能
4.4.1層板內限域作用與內源性活性位
4.4.2層板外限域作用與外源性活性位
4.5插層組裝與高分散催化性能
4.5.1超分子插層選擇性氧化催化材料
4.5.2超分子插層生物催化材料
4.5.3超分子插層手性催化材料
4.6層狀結構陣列的高分散催化材料
4.7 LDHs結構與吸附性能
4.7.1吸附及其分類
4.7.2吸附平衡、吸附容量和吸附速度
4.7.3吸附對吸附劑的結構要求
4.7.4 LDHs吸附劑的表面及孔結構
4.7.5 LDHs層間陰離子的可交換性
4.7.6 LDHs的堿性
4.8 LDHs氣相吸附機理及應用
4.8.1 PVC熱穩定劑——吸附HCl
4.8.2碳減排——吸附CO2
4.9 LDHs液相吸附機理及應用
4.9.1吸附無機離子
4.9.2吸附有機物
4.9.3吸附陽離子
4.10 LDHs吸附熱力學與動力學
4.10.1 LDHs吸附熱力學
4.10.2 LDHs吸附動力學
參考文獻
第5章二維納米復合氫氧化物的光學性能
5.1 LDHs的光學性質
5.1.1光學功能材料簡介
5.1.2 LDHs層狀結構薄膜的光學性質
……
第6章二維納米復合氫氧化物的電化學性能
第7章二維納米復合氫氧化物的磁學性能
第8章二維納米復合氫氧化物的防腐蝕性能
索引
書摘/試閱
研究還對相應的微觀機理進行了深入的分析探討,提出了through—bond和through—space協同作用導致磁有序現象,應力引起的原子間離子一共價鍵協同作用導致磁矩的規律變化,以及應力引起局域磁矩問通過through—bond和through—space協同作用導致磁耦合規律變化的理論觀點。該研究為納米自旋電子器件可控材料的設計和開發提供了新的途徑,為實驗探索此類新材料提供了理論依據。此外,Dai課題組還對其他二維單層納米材料,如MoY2(Y=Se,Te),BN等的電子與相關性質及其機制進行了系列研究。
前面提到二維納米材料可以用于鋰能量存儲設備,如鋰離子電池適合鋰離子快速擴散,且大的暴露表面能提供更多的鋰插入通道。Liu等指出二維納米材料也有一定的不足,如表面光滑容易堆疊,化學鍵相互作用容易形成大塊材料,導致活性界面的降低。為了開發下一代高性能鋰離子電池,研究者致力于研究以下幾類儲存鋰納米材料:多孔納米片、超薄納米片、花狀結構納米片、類三明治型納米片、波浪狀納米片,以及暴露特定晶面的納米片(圖1—4)。未來二維納米材料用于鋰離子儲存,需要關注的有發展可控的大尺度的集成許多先進技術的二維材料,發展新的二維結構,降低二維材料的成本。Ding等首先在磺化聚苯乙烯微球或者改性的碳納米管和氧化石墨烯上生長金屬氧化物(二氧化鈦、二氧化錫)納米片。將這些材料在空氣或者惰性氣體中進行處理,得到相應的由金屬氧化物納米片組裝的中空微球或者金屬氧化物納米片/碳(石墨烯、碳納米管)復合結構。他們還對這些材料作為鋰離子電池負極材料的性能進行了研究,發現這些材料相對于相應的金屬氧化物納米顆粒具有較好的鋰離子存儲性能。一方面,納米片堆積的空間有利于鋰離子存儲、緩沖充放電過程中的體積變化和進行快速的鋰離子傳輸;另一方面,碳納米管和石墨烯具有較高的導電性,有利于鋰離子存儲性能的提高。
二維硅酸鹽型納米材料中有一類具有無限的二維SiO4四面體層的材料,如云母、蒙脫土、高嶺土等。基于蒙脫土構筑聚合物/蒙脫土納米復合材料,是近年來發展較為迅速的一種新興復合材料。納米復合材料的性能優于相同組分的復合材料,而且表現出了許多特殊的性能,如氣體阻隔性能、阻燃性能等。因此納米復合為開發高性能多功能新材料提供了一條新的途徑,近年來已成為材料科學研究的重點。
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