《高壓高溫合成新型過渡金屬-鉍金屬間化合物》是依託上海大學，由郭凱擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高壓高溫合成新型過渡金屬-鉍金屬間化合物
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：郭凱
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
目前，利用高壓高溫技術合成新的無機化合物及材料已成為固態化學中非常重要的一個研究方向，然而我國在這方面的研究仍處於起步階段。Bi原子因為軌道自旋分裂易產生孤對電子，難與過渡金屬元素髮生反應生成金屬間化合物。然而，由於它們之間電負性差異小而原子半徑相差較大，鉍基過渡金屬化合物可能具備良好的電輸運性能和較低的熱導率，是潛在的熱電材料。本項目擬在高壓高溫條件（p＞1GPa; T＞500oC）下合成新的鉍基金屬間化合物並發掘其潛在的套用價值。通過改變和最佳化實驗條件，對TM-Bi（TM = Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn）體系進行探索性合成及性能表征。結合第一性原理計算理解新化合物在高壓下形成的熱力學機理、基本的電熱輸運行為和磁現象，並對實驗結果進行合理和深入的理論分析。總結這一系列新金屬間化合物的晶體結構、電子結構和性能的構效關係，以期在此類化合物的合成與性能方面提供一定的理論依據。
結題摘要
金屬間化合物具備豐富的物理化學性能，已成為一個豐富的新金屬材料庫，引起材料科學家進行廣泛和深入的研究。然而，對於一些價電子濃度較高的元素如Tl、Pb和Bi，由於軌道的自旋分裂容易產生孤對電子，因此較難與其它3d過渡金屬形成金屬間化合物。壓力是一個重要的熱力學參數，利用高壓合成技術製備新介穩材料已成為固態化學中非常重要的一個研究方向。該項目主要採用靜態的高壓高溫技術合成新的金屬間化合物並發掘具有新穎物理化學性能的金屬功能材料，如TM-Bi (TM = Fe, Co, Ni, Cu, Zn) 。通過改變壓力和溫度條件，發現Fe-Bi，Zn-Bi的高壓相都無法退過淬火的形式保存到常壓條件。在Cu-Bi體系中，我們發現了兩種新的化合物。其中一種通過粉末衍射數據的結構解析，確定為正交的CuBi相（空間群為Pmma；晶胞參數a = 5.20751(7)Å, b= 4.24215(6) Å, c = 7.8769(1) Å）。該結構中，Cu原子層被上下兩層Bi原子層包圍形成三明治型結構。結合化學鍵的理論計算工作，我們發現該結構中，元素Cu和Bi之間電荷轉移接近零，這也是該介穩相需要在高壓條件下合成的主要原因。該工作對Bi基二元金屬間化合物的穩定性及其與超導轉變溫度形成了系統認識，主要內容發表在Angew. Chem. Int. Ed.（2017, 56, 5620–5624）上。此項研究補充了Cu-Bi的二元相圖，為其它Bi基金屬間功能化合物的製備、穩定機理和性能研究開闊了思路，提供了理論依據。此外，該項目針對具備優良電熱輸運性能的三元金屬間化合物BaZn2Sb2、Eu5In2Sb2、BaCu2Te2等進行了電輸運和熱輸運性能表征分析，結合第一性原理計算，對它們的結構-熱電性能的關係形成了系統性的認識。通過摻雜取代等途徑最佳化了體系的載流子濃度和有效質量，提升了熱電性能。相關結果發表在J. Mater. Chem. A, J. Alloys Compd.，Mater. Lett.，ACS Appl. Mater. Interfaces，ACS Applied Energy Materials等SCI期刊上。
