纳米科学与技术·二维纳米复合氢氧化物：结构、组装与功能 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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段雪，陆军 等 编

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• 纳米科学
• 纳米技术
• 二维材料
• 复合材料
• 氢氧化物
• 结构
• 组装
• 功能
• 材料科学
• 纳米复合材料

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030382641

版次：1

商品编码：11322595

包装：精装

丛书名： 纳米科学与技术

开本：16开

出版时间：2013-09-01

用纸：胶版纸

页数：549

字数：705000

正文语种：中文

内容简介

　　二维纳米材料是指在一个维度上具有纳米尺寸的纳米材料。在众多的无机层状材料中，层状复合氢氧化物（layered double hydroxides，LDHs）就是一类层状二维纳米材料。此类纳米材料具有插层组装和层板组成结构可控等特点，且纳米级的结晶尺寸和纳米级的层间区域使其成为一类独具特色的二维纳米材料。
　　《纳米科学与技术·二维纳米复合氢氧化物：结构、组装与功能》集作者研究团队二十多年的研究成果，着眼于此类材料的二维纳米结构与效应，首先介绍LDHs材料的结构和制备两个基本问题，然后系统阐述此类材料在催化／吸附、光学、电化学、磁学和防腐蚀等方面的功能与应用。
　　《纳米科学与技术·二维纳米复合氢氧化物：结构、组装与功能》可供化学化工、材料、物理等专业广大科研及教学人员、专业技术人员、研究生和本科生参考阅读。

作者简介

　　段雪，北京化工大学教授，中国科学院院士。1982年于吉林大学获得学士学位，之后就读于北京化工学院（现北京化工大学），于1984年和1988年获得中国科学院硕士和博士学位。经30余年的持续研究，形成了“插层组装与产品工程”特色研究方向，围绕该方向开展了系统的应用基础研究和工程化研究。将研究成果应用于大规模工业实践，实现了多项成果转化。在AICh EJournal和Chemical Engineering Science等国际化工主流刊物，以及AngewandteChemieInternationalEdition.JournaloftheAmericanChemicalSociety和Advanced Materials等国际重要刊物发表了一批高水平论文。获国家发明专利授权60余件和美国专利授权5件。获国家技术发明奖二等奖（2项）和国家科学技术进步奖二等奖（1项）等多项科技成果奖励，先后获得国家有突出贡献的中青年专家、全国“五一”劳动奖章、全国杰出专业技术人才、“长江学者奖励计划”特聘教授等荣誉称号。2000～2008年任化工资源有效利用国家重点实验室第一任主任。现担任国务院学位委员会化工学科评议组成员、国家自然科学基金委化学部专家咨询委员会委员、英国皇家化学会会士、Structure and Bonding期刊编委、国家安全生产化工专家组专家等多项学术职务。

内页插图

目录

《纳米科学与技术》丛书序
前言

第1章 绪论
1.1 二维纳米材料概述
1.1.1 二维纳米材料简介
1.1.2 二维纳米材料的特点
1.1.3 二维纳米材料的研究进展
1.2 二维纳米材料一一层状复合氢氧化物（LDHs）
1.2.1 结构、性质及应用研究
1.2.2 LDHs中的二维纳米效应
1.2.3 LDHs二维纳米材料的研究进展
参考文献

第2章 二维纳米复合氢氧化物的结构
2.1 引言
2.2 层板结构
2.2.1 水镁石阳离子取代型
2.2.2 层板阳离子长程无序型
2.2.3 层板阳离子有序型
2.2.4 三水铝石有序填隙型
2.3 LDHs的层间结构
2.3.1 层间阴离子有序型
2.3.2 层间阳离子有序型
2.4 LDHs层板堆积方式
2.4.1 2H和3R结构
2.4.2 分步插层结构
2.5 插层特性
2.5.1 插层结构中的超分子作用
2.5.2 协同性、方向性和选择性
2.5.3 客一客体相互作用
2.5.4 主客体相互作用
2.5.5 插层反应与离子交换
2.5.6 分子识别
2.5.7 电子转移和能量转换
2.6 LDHs结构模拟的理论方法
2.6.1 电子结构计算方法
2.6.2 分子模拟方法
2.7 LDHs理论研究进展
2.7.1 分子动力学方法的应用
2.7.2 量子力学方法的应用
2.8 LDHs结构构筑的理论基础
2.8.1 LDHs插层结构构筑的经验规则
2.8.2 插层结构构筑基元的理论分类
2.8.3 金属元素的性质对层板结构的影响
2.8.4 层板元素组成对插层结构的影响
2.8.5 层板堆积方式对插层结构的影响
2.8.6 类水滑石理论模拟的通用分子力场
参考文献

第3章 二维纳米复合氢氧化物的制备
3.1 LDHs粉体材料的制备
3.1.1 LDHs颗粒尺寸及形貌的影响因素
3.1.2 LDHs颗粒尺寸及形貌的控制方法
3.2 LDHs插层结构的构筑
3.2.1 插层组装的影响因素
3.2.2 LDHs主体层板结构控制
3.2.3 LDHs层间客体结构控制
3.3 超分子插层结构的构筑原则
3.3.1 LDHs热力学研究
3.3.2 LDHs反应动力学研究
3.3.3 LDHs插层组装的选择性
3.4 LDHs插层结构薄膜的构筑
3.4.1 层层组装技术
3.4.2 电泳沉积技术
3.4.3 溶剂挥发技术
3.4.4 原位生长技术
3.4.5 其他制备技术
……

第4章 二维纳米复合氢氧化物的催化与吸附性能
第5章 二维纳米复合氢氧化物的光学性能
第6章 二维纳米复合氢氧化物的电化学性能
第7章 二维纳米复合氢氧化物的磁学性能
第8章 二维纳米复合氢氧化物的防腐蚀性能

索引

前言/序言

物理学与材料科学前沿：凝聚态物理中的电子行为与结构演化 内容提要： 本书深入探讨了凝聚态物理学的核心议题，聚焦于材料内部电子的集体行为、结构随环境变化的动态过程，以及由此引发的宏观物理性质的涌现。全书结构严谨，从量子力学基础出发，系统阐述了晶格振动（声子）、电子-声子耦合、以及电子在周期性势场中的输运现象。重点剖析了强关联电子系统，如高温超导、重费米子体系的微观机制，并结合先进的实验技术，如角分辨光电子能谱（ARPES）和中子散射，解读复杂材料的电子结构图景。此外，书中还对拓扑材料中的奇异电子态进行了详尽的论述，包括量子霍尔效应和拓扑绝缘体，强调了其在信息技术革命中的潜在应用价值。本书旨在为高年级本科生、研究生以及相关领域的研究人员提供一个全面而深入的参考框架，以理解和预测新型功能材料的物理特性。 --- 第一部分：量子力学基础与晶体周期性 第一章：多体问题与近似方法 本书首先回顾了处理大量粒子系统的必要性，即多体问题。引入哈密顿量的完整形式，并着重讨论了其在凝聚态体系中的复杂性。核心内容聚焦于平均场理论（如Hartree-Fock方法）的构建，解释了如何通过引入近似，将难以处理的相互作用转化为可解的形式。详细分析了密度泛函理论（DFT）的原理和实际应用，包括 Kohn-Sham 方程的求解策略，以及如何准确描述电子的交换关联能。 第二章：晶格动力学与声子理论 本章深入研究了完美晶格中的原子振动。从牛顿运动方程出发，推导出描述晶格振动的声子概念。详细分析了色散关系的计算，区分了光学支和声学支，并阐述了布里渊区中波矢（$k$ 矢量）对振动模式的影响。重点讨论了声子密度（DOS）的概念及其在比热容计算中的作用。随后，引入电子-声子耦合机制，阐释其在金属导电性以及绝缘体中极化现象中的关键角色。 第三章：电子的周期性势场输运 本章基于Bloch定理，系统描述了电子在周期性晶格势场中的行为。详细推导了能带结构的形成，解释了何为能带、能隙以及费米能级的物理意义。随后，转向电子的输运性质，通过玻尔兹曼输运方程，推导出电阻率、霍尔效应和热电输运系数的微观理论。对比分析了金属、半导体和绝缘体在不同温度下的输运机制差异，强调了散射过程（如杂质散射、声子散射）对电导率的决定性影响。 --- 第二部分：电子关联效应与相变物理 第四章：平均场之外：强关联电子系统 本书超越了费米液体理论的范畴，进入了电子间强相互作用（关联效应）主导的物理领域。核心分析对象是具有局域磁矩和电子-电子排斥项（$U$）的系统。详尽论述了Hubbard 模型及其在描述电子局域化和金属-绝缘体转变中的优势。引入动力学平均场理论（DMFT），展示了如何通过自洽解将无限晶格问题映射到求解一个单杂质问题，从而成功描述高关联系统中的电子谱线展宽和重整化效应。 第五章：超导电性：从BCS到高温超导 本章聚焦于超导现象的微观起源。首先，重温BCS 理论，解释了库珀对的形成机制、能隙的出现以及零电阻的物理本质。随后，将视角转向非常规超导电性，特别是铜氧化物和铁基超导体。重点分析了它们独特的、非s波配对对称性，以及超导相与磁性（如反铁磁序）之间的竞争关系，讨论了由强关联效应导致的赝能隙（Pseudogap）的物理图像。 第六章：磁性与磁性相变 本章专门处理电子的自旋自由度。从海森堡模型和伊辛模型出发，阐释了铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性的微观起源，主要基于交换相互作用。深入分析了平均场近似在描述磁性相变中的应用，计算了居里温度和奈尔温度。此外，讨论了磁激元（Magnons）的激发谱，并探讨了在低维体系中由于热涨落导致的磁性消失现象。 --- 第三部分：拓扑物理与界面现象 第七章：拓扑不变量与能带拓扑 本章引入现代物理中最活跃的领域之一——拓扑凝聚态物理。阐明了拓扑概念如何从几何学跨越到电子能带结构中。详细介绍了拓扑不变量（如Chern 数和 $mathbb{Z}_2$ 拓扑不变量）的数学定义，并解释了它们如何保护了特定的边缘或表面态。通过分析二维和三维晶体系统中能带的拓扑平庸化/非平庸化转变，为理解拓扑绝缘体和拓扑半金属奠定理论基础。 第八章：量子霍尔效应与边缘态 重点解析了量子霍尔效应（QHE）的物理图像，包括整数量子霍尔效应中朗道能级的形成和拓扑保护的边缘态的输运机制。讨论了分数量子霍尔效应中分数量子霍尔液体的复杂多体关联态。本章强调了由于边缘态的单向性和对缺陷的免疫性，使得其在构建无耗散电子器件中的巨大潜力。 第九章：界面、异质结与低维电子系统 本章关注电子行为在维度降低和界面处的显著变化。分析了二维电子气（2DEG）的形成，讨论了肖特基结和异质结界面处能带的弯曲与电势的构建。深入研究了范德华异质结的特性，特别是不同晶格常数和晶格取向带来的莫尔图案（Moiré Patterns）如何调控电子的有效质量和相互作用强度，引发新的电子相。 --- 第四部分：实验观测与光谱学方法 第十章：电子结构探测：角分辨光电子能谱（ARPES） 本书详细介绍了ARPES作为直接探测费米面和电子结构的关键技术。系统讲解了光电效应的基本原理，如何通过角分辨测量直接获得电子的动量信息。重点分析了如何利用 ARPES 谱图来识别狄拉克锥、费米面嵌套以及超导能隙的形状。讨论了 ARPES 实验中面临的挑战，如表面敏感性和能量分辨率的限制。 第十一章：晶格激发与中子散射 本章专注于原子级别的集体激发（声子和磁激元）的实验探测。详细阐述了非弹性中子散射的工作原理，说明了如何利用中子的磁矩和动量来同时探测原子结构和磁有序。通过分析中子散射的断截面，演示了如何重构声子色散曲线以及识别磁性激发模式，特别是研究磁性相变过程中的动态关联函数。 第十二章：时间分辨技术与瞬态响应 最后，本章介绍了研究材料在超快时间尺度下动态响应的前沿技术，如飞秒激光光谱。重点讨论了瞬态吸收光谱（TA）和时间分辨太赫兹（TRTS）技术，它们如何揭示电子弛豫、载流子复合以及电子-声子能量传递的动力学过程。这些技术为理解非平衡态下的物理过程提供了不可或缺的工具。 --- 本书特色： 本书将严格的理论推导与尖端的实验观测相结合，力求为读者提供一个坚实的、面向前沿研究的知识体系。内容覆盖了从基础的晶体场理论到复杂的拓扑电子态，适合作为凝聚态物理专业高阶课程的教材，或作为进入该领域研究的系统性参考资料。全书旨在培养读者利用微观理论解释宏观物理现象的综合能力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值远超出一本教科书的范畴，它更像是一份未来技术路线图的草案。我特别欣赏作者在讨论前沿展望时，那种既乐观又审慎的态度。比如，在关于质子传导率提升的讨论中，书中明确指出了当前模型在高温高湿环境下的局限性，并预言了下一代研究方向可能集中在缺陷簇的动态重构上。这种对“已知”的清晰界定和对“未知”的勇敢探索，是真正优秀科学著作的标志。书中穿插的一些小节，专门讨论了先进表征技术（如同步辐射X射线衍射）在解析此类复杂结构中的应用，提供了非常实用的操作建议和数据解读技巧，这对于我们这些需要频繁进行复杂表征的实验室来说，是无价的知识。总而言之，这本书构建了一个宏大而精密的知识体系，它要求读者投入精力，但回报是巨大的认知升级，它不仅教授了“是什么”，更深层次地教会了“为什么”以及“如何才能做得更好”。

评分☆☆☆☆☆

我带着一种近乎“朝圣”般的心情开始阅读这本关于“纳米复合”的专著，毕竟这个交叉学科领域的信息往往分散且难以整合。这本书最让我惊喜的是它对“组装”过程的哲学性思考。作者没有仅仅罗列实验步骤，而是探讨了不同维度（一维纳米线、零维量子点与二维片层）之间相互作用的驱动力，这种从宏观到微观的系统性梳理，极大地拓宽了我的研究视野。特别是关于界面电子转移机制的建模部分，书中采用的最新计算模型，与我过去依赖的经典模型相比，对实验结果的解释力有了质的飞跃，这对我正在攻克的一个界面反应瓶颈提供了新的视角。此外，书中对安全性和规模化生产的潜在挑战也有所提及，这是一种非常负责任的做法，提醒了读者在追求性能突破的同时，不能忽略工程化和环境影响。阅读过程中，我多次停下来，试图在脑海中构建出这些纳米结构的三维模型，而书中那些精心绘制的示意图，完美地充当了我的“想象力支架”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得非常引人注目，那种深邃的蓝色调和分子结构图案，立刻给人一种严谨而前沿的科学感。我刚翻开导论部分，就被作者那种深入浅出的叙述方式深深吸引了。虽然主题是“二维纳米复合氢氧化物”这样听起来非常高深的领域，但作者似乎特别擅长把复杂的概念拆解成易于理解的模块。比如，他们用了一个很形象的比喻来解释层状结构中离子交换的过程，这比我以前读过的任何教科书都要清晰。我特别关注了关于材料合成方法的章节，那里详细描述了不同热处理和水热合成工艺对最终材料形貌和结晶度的影响，图表制作得非常精美，数据可视化做得极佳，让人一看就明白其中的关联性。而且，书中不仅关注基础理论，还大量引入了实际应用案例，比如在催化剂载体和电化学储能器件中的潜力，这极大地激发了我对这项技术的兴趣，让原本觉得枯燥的理论学习变得充满了探索的乐趣。我感觉这本书不仅仅是一本参考书，更像是一位经验丰富的导师在手把手的引导我进入这个前沿领域，结构上的逻辑性非常强，从微观结构到宏观性能的递进非常自然。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和排版质量着实令人称赞，这在专业技术书籍中并不常见。纸张的质感很好，即使用荧光笔标记了许多关键公式和图谱，也不会透墨。我尤其欣赏它在引文和注释处理上的细致入微，每当提到一项关键技术突破时，总能清晰地追溯到原始文献的出处，这体现了作者严谨的学术态度。在讨论到二维材料的机械性能与稳定性时，书中引用了最新的原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱分析结果，数据图谱的清晰度极高，即便是高倍放大也细节毕现。与我手上其他几本同类书籍相比，本书在“功能化”这一主题上的探讨更为深入和系统。它不仅仅描述了如何制备基础的氢氧化物骨架，更着墨于如何在其表面嫁接其他活性物种以实现特定的催化或吸附功能，这对于从事应用化学研究的我来说，提供了非常实用的参考。这本书的广度与深度达到了一个完美的平衡点，既能让初学者快速入门，也能让资深研究者从中获得启发。

评分☆☆☆☆☆

我是在一个急需深入理解新型储能材料界面的背景下接触到这本著作的。坦率地说，我对“氢氧化物”这个词汇的传统印象还停留在基础化学层面，但这本书彻底颠覆了我的认知。作者在第三章中对晶格缺陷工程的探讨，简直是点睛之笔。他们不仅清晰地阐述了如何通过调控氧空位和金属原子价态来优化电子导电性，还给出了大量基于密度泛函理论（DFT）计算的预测性数据，这些数据对于我目前的研究方向至关重要。我花了整整一个下午来仔细研读关于“自下而上”组装策略的部分，书中详细对比了模板法和原位生长法在构建多级孔结构上的优劣，特别是在提到如何利用有机分子作为结构导向剂时，那种精妙的分子设计思路令人叹服。这本书的行文风格非常直接，没有多余的修饰，直击核心科学问题，这对于时间宝贵的科研人员来说是最大的福音。它真正做到了将深奥的理论与尖端的实验技术紧密结合，为我后续的实验设计提供了坚实的理论支撑和清晰的技术路线图。