尖晶石型結構

尖晶石（MgAl₂O₄）型結構。該晶體結構中，氧離子按立方緊密堆積排列，二價陽離子充填於八分之一的四面體空隙中，三價陽離子充填於二分之一的八面體空隙中。通式AB2O4型，是離子晶體中的一個大類。等軸晶系。A為二價陽離子，如Mg2+，Fe2+，CO2+，Ni2+，Mn2+，Zn2+，Cd2+等；B為三價陽離子，如Al3+，Fe3+，CO3+，Cr3+，Ga3+等。結構中O2-離子作立方緊密堆積，其中A離子填充在四面體空隙中，B離子在八面體空隙中，即A2+離子為4配位，而B3+為6配位。

基本介紹

• 中文名：尖晶石型結構
• 外文名：spinel type structure
• 又稱：正尖晶石結構
• 典型代表：鎂鋁尖晶石MgAl2O4
• 空間群：立方晶系Fd3m
• 晶胞參數：a=0.808nm z=8

晶體結構

以鎂鋁尖晶石MgAl2O4為典型代表：

尖晶石晶胞可以劃分成8個小的立方單位，分別由4個A型和4個B型小單位拼在一起。

每個A型、B型小單位都有4個O^2-離子，晶胞中O^2-的個數是8*4=32個。

Mg²⁺處於A型小單位的中心及一半的頂點及B型小單位一半的頂點上，

晶胞中Mg²⁺的數目是4*(1+4/8)+4*4/8個。Mg²⁺呈四配位，即占據O2-密堆積中的四面體空隙。

每個B型小單位中有4個Al³⁺，晶胞中Al³⁺的個數是4*4=16個。

Al³⁺呈六配位，即占據O^2-密堆積中的八面體空隙。

MgAl2O4尖晶石結構

常見的還有FeAl₂O₄等，此外，還有B為4價陽離子的系列，如Mg₂TiO₄和Mn₂TiO₄等許多複合氧化物。一系列硫化物如FeCr₂S₄，Co₃S₄等也都被稱作具有尖晶石型結構化合物。

尖晶石型晶胞還有一些變種，部分二元原子晶體也可以形成尖晶石型結構。

尖晶石型化合物結構較穩定，有的可用作高溫耐火材料，有的可用作電子陶瓷材料

在焊接過程中，多會生成尖晶石型結構的化合物，這種結構的化合物與熔渣結合，會影響焊條的脫渣性。

成分

氟、氰化合物

有BeLi2F₄、MoNa₂F₄、ZnK₂CN)₄、CdK₂CN)₄、MgK₂(CN)₄等。

氧化物

TiMg₂O₄、VMg₂O₄、MgV₂O₄、ZnV₂O4等。

硫化物

MnCr₂S₄、CoCr₂S₄、FeCr₂S₄、CoCr₂S₄等。

研究進展

南開大學化學學院教授陳軍帶領團隊在尖晶石型氧化物的溫和可控制備及電催化性能研究方面取得新進展，相關研究成果發表於Nature Communications，論文作者李淳、韓曉鵬、程方益、胡宇翔、陳程成、陳軍，其中陳軍、程方益為共同通訊作者。

尖晶石型化合物是一類重要功能材料，在電、磁、催化、能量存儲與轉化等領域具有廣泛用途。這類化合物通常採用傳統的固相燒結法製備，一般需要較高的加熱溫度和較長的反應時間克服擴散阻力和反應能壘，耗能耗時，並且產物粒徑大、比表面積小、電化學活性低。特別是對於含有多種可變價態過渡金屬的尖晶石複合氧化物，其元素組成和晶體構型相互制約，難以同時調控。發展溫和的製備方法調控尖晶石型功能材料的組成、結構和形貌，揭示其構效關係進而提升其性能，是富有意義而且頗具挑戰的課題。

陳軍團隊提出一種“氧化沉澱—嵌入晶化”兩步溶液化學法，在常壓和較低溫度下成功合成了系列尖晶石複合氧化物超細納米材料。他們通過調節反應物的加入順序控制中間體的價態和結構對稱性，在寬範圍內實現了功能材料組成和晶型同步調控，進一步揭示了鈷錳尖晶石對氧還原、氧析出電催化反應的構效關係，發現立方相和高錳含量有利於提升本徵催化活性。採用這種溫和製備方法，他們還獲得了大表面積、高分散度的導電炭黑負載尖晶石複合納米材料，其氧還原/氧析出雙功能催化性能與貴金屬鉑相當，可作為高效陰極催化劑構築可充鋅空氣和鋰空氣電池。

這一研究成果於2015年6月4日發表在Nature Communications，陳軍課題組曾於2011年在Nature Chemistry(2011, 3, 79)上發表M3-xMnxO4(M為Zn、Mg、Co)系列錳系尖晶石氧化物的“還原-轉晶”製備新方法及電催化套用，此次是該課題組對尖晶石型功能材料研究的又一重要成果。