《超分子插層結構功能材料》是“先進化工材料關鍵技術叢書”的一個分冊。
本書基于筆者二十余年的工作積累，是圍繞超分子插層結構功能材料開展科學研究和技術開發的系統總結。全書共九章，包括緒論、超分子插層材料的結構設計、超分子插層結構材料的制備方法與原理、超分子插層結構催化材料、超分子插層結構吸附材料、超分子插層結構光功能材料、超分子插層結構生物醫用材料、超分子插層結構能源材料和超分子插層結構功能助劑。本書所涉及的研究內容為相關領域國際學術前沿的熱點，部分成果為原創，可為超分子插層結構功能材料的基礎研究與應用研究提供一些新思路。
《超分子插層結構功能材料》適合化學、化工、材料領域，特別是對插層化學與插層結構功能材料感興趣的科技術人員閱讀，也可供高等院校化學、化工、材料及相關專業師生參考。
段雪，北京化工大學教授，2007年當選中國科學院院士。1982年畢業于吉林大學獲學士學位，1984年和1988年畢業于北京化工學院，獲工業催化碩士和博士學位。經30余年持續研究，構建了“插層組裝與資源利用” 特色研究體系，提出了插層結構八面體構筑原則、多相催化反應熱與傳熱耦合、原位超穩礦化、綠氫提效降本和“雙碳”目標下過程工業熱能及反應耦合等創新概念；設計了旋轉微液膜反應器，提出了共沉淀反應體系成核/晶化分離、反應-分離耦合和無釜水熱合成等多種工藝方法；原創紫外阻隔材料、抑煙材料和環境修復材料等系列功能材料。多年獲ESI中國高被引學者，獲國家發明專利授權60余件和美國專利授權5件。在青海、山東和甘肅等地建立了成果轉化基地，實現科技成果轉化20余項，建成30余條工業生產線，推動了鹽湖資源有效利用、汽車精細化學品、介孔吸附材料和土壤修復材料等行業的科技進步，獲國家技術發明二等獎2項、國家科技進步二等獎1項和省部級科技成果獎勵10余項。先后獲國家有突出貢獻的中青年專家、中國青年科技獎、全國“五一勞動獎章”、全國杰出專業技術人才和“長江學者獎勵計劃”特聘教授等榮譽稱號。現兼任中國科學院學術委員會基礎前沿交叉領域專門委員會委員、中國石油和化學工業聯合會副會長、英國皇家化學會會士、Structure and Bonding編委、北京化工大學學術委員會主任等多項學術職務。
衛敏，北京化工大學教授，博士生導師。2001年于北京大學獲得理學博士學位，同年加入北京化工大學，2006年晉升為教授。2008年佐治亞理工學院訪問學者。從事插層組裝化學與功能材料研究，圍繞插層組裝的理論構筑原則、合成方法、材料結構設計與性能調控方面做了系統的研究工作，以功能為導向發展了新型催化材料、電化學能源材料，用于碳一化學、能源催化、生物質催化轉化等領域。以通訊作者發表SCI收錄研究論文200余篇；發表論文他引12200余次，18篇論文入選基本科學指標數據庫ESI高被引TOP 1%論文。授權國際專利2件，授權國家發明專利30余件。作為共同卷主編為Structure and Bonding編輯第166卷；現擔任Science Bulletin期刊副主編，《催化學報》編委，英國皇家化學會會士。獲2012年國家杰出青年基金資助；獲2015年中國石油和化學工業聯合會科技進步一等獎；入選2017年國家百千萬人才工程，被授予“有突出貢獻中青年專家”稱號；獲2018年第十五屆中國青年科技獎。
孫曉明，北京化工大學教授，博士生導師。2000年和2005年于清華大學化學系獲理學學士和理學博士學位。2008年在斯坦福大學完成博士后研究回國，進入北京化工大學化工資源有效利用國家重點實驗室工作。主要從事納米能源材料化學研究。近年來主要針對具有應用前景的氣體參與的電催化反應開展研究工作，建立了原子級催化劑活性位點精準調控理論，提出了普適性的“氣體超浸潤電極”概念，用于高性能電解水、氯堿、燃料電池等電極與相應的電化學器件，有效緩解了活性、成本和傳質等瓶頸問題，提升了電化學過程和器件的能量效率。目前以第一或通訊作者身份已發表論文150篇，總引用15000余次，他引多于12000 次; 出版專著一本。申請國際專利8件，獲授權2件；獲國家發明專利授權40余件。2007年獲全國百篇優秀博士論文，2011年獲國家自然科學基金杰出青年基金資助，2019年獲評中國共產黨中央委員會組織部“萬人計劃”科技創新領軍人才。
林彥軍，北京化工大學教授，博士生導師。1998年獲北京化工大學精細化工專業學士學位，2002年和2005年分別獲北京化工大學應用化學專業碩士和博士學位。2013年12月至2014年12月在加拿大多倫多大學從事訪問學者研究。2005年至今在北京化工大學工作，主要從事插層結構功能材料的應用基礎和產品工程研究，先后開發了插層結構高效抑煙劑、紫外線阻隔材料等多種功能材料，作為技術負責人主持建成了多套百噸級中試和千噸級產業化裝置，實現了插層材料的大規模生產和實際應用。發表論文70余篇，獲美國發明專利授權3件、中國發明專利授權40余件，作為第一起草人制定化工行業標準6項。作為第二完成人獲國家技術發明二等獎1項、中國石油和化學工業聯合會技術發明一等獎2項，作為第三完成人獲中國石油和化學工業聯合會技術發明一等獎1項。兼任中國化工學會精細化工專業委員會常務委員、全國安全生產標準化技術委員會化學品安全分技術委員會委員。
第一章 緒論 001
第一節 超分子化學 002
一、超分子化學概述 002
二、超分子化學中的相互作用 003
三、超分子化學的外延 005
四、超分子化學的科學意義 006
第二節 無機超分子材料 007
一、無機材料的超分子特征 007
二、無機超分子材料的制備方法 008
三、無機超分子材料分類 009
四、無機超分子材料的特點、應用及發展 010
第三節 超分子插層結構功能材料 011
一、插層結構的超分子特征 011
二、超分子插層結構功能材料的組裝方法 012
三、超分子插層結構功能材料的發展 012
四、超分子插層結構功能材料的分類 013
第四節 超分子插層結構功能材料的特點及應用 015
一、超分子插層結構功能材料的性質與效應 016
二、超分子插層結構功能材料的應用 017
第五節 小結與展望 022
一、超分子插層組裝結構及組裝驅動力研究 022
二、超分子插層結構功能材料的構筑原理 023
三、超分子插層組裝功能材料的應用探索 023
參考文獻 024
第二章 超分子插層材料的結構設計 029
第一節 超分子插層材料結構設計的理論方法 030
一、電子結構方法 030
二、分子模擬方法 032
第二節 主體結構特性與設計 033
一、層板元素的引入—金屬離子的八面體變形度原則 033
二、層板元素組成及比例限制 036
三、結構拓撲轉變與記憶效應 038
四、層板電荷分布性質 041
第三節 客體取向和分布—LDHFF分子力場構建 042
一、取向結構和客體分布—LDHFF分子力場構建 043
二、客體間相互作用 046
三、層間陰離子交換性質 047
第四節 插層結構特性與設計 048
一、插層結構穩定的驅動力—主客體相互作用 048
二、體系能帶結構與光催化性質 049
三、體系的酸堿位點 053
第五節 小結與展望 054
參考文獻 056
第三章 超分子插層結構材料的制備方法與原理 063
第一節 插層組裝法 064
一、共沉淀法 064
二、離子交換法 067
三、焙燒復原法 068
四、水熱法 069
第二節 剝層重組法 069
一、自上而下的剝離法 070
二、自下而上的合成法 072
第三節 原位生長法 074
一、原位電沉積法 074
二、原位水熱法 076
三、金屬表面原位刻蝕法 078
第四節 導向組裝法 078
一、模板導向法 078
二、外場導向法 080
第五節 拓撲轉化法 085
一、內源法 086
二、外源法 088
三、內-外源協同法 089
第六節 工業化生產方法 091
一、共沉淀法 091
二、清潔工藝（固相合成法） 094
第七節 小結與展望 096
參考文獻 097
第四章 超分子插層結構催化材料 103
第一節 概述 104
第二節 層狀及插層結構催化材料 105
一、二維層狀催化材料 105
二、插層結構催化材料 108
三、主客體協同催化材料 117
第三節 基于層狀前體法的復合金屬氧化物/硫化物催化材料 118
一、堿土金屬復合氧化物 118
二、過渡金屬復合氧化物 120
三、基于層狀前體法的復合金屬硫化物 126
第四節 基于層狀前體法的負載型金屬催化材料 128
一、負載型單原子催化材料 128
二、負載型金屬團簇催化材料 133
三、負載型金屬納米催化材料 136
第五節 小結與展望 142
參考文獻 143
第五章 超分子插層結構吸附材料 153
第一節 超分子插層結構功能材料結構特點與吸附性能 154
一、結構特點 154
二、吸附性能 155
第二節 選擇性吸附陰離子與捕獲鋰離子 158
一、選擇性吸附陰離子 159
二、選擇性捕獲鋰離子 163
第三節 對有機分子的吸附增溶 165
一、鏈狀分子的吸附增溶 165
二、含環狀結構分子的吸附增溶 166
第四節 重金屬離子超穩礦化 167
一、重金屬污染現狀 167
二、重金屬離子污染修復 167
三、LDHs在重金屬離子水污染方面的應用 169
四、LDHs在重金屬土壤污染治理方面的應用 174
第五節 超分子插層結構功能吸附材料應用實踐 177
一、水體凈化工程實踐—焦化脫硫廢液處理 177
二、土壤修復應用實踐 179
第六節 小結與展望 184
參考文獻 184
第六章 超分子插層結構光功能材料 195
第一節 插層結構光功能材料 196
一、插層結構光功能材料的結構與性能 196
二、插層組裝客體種類 197
三、插層組裝作用力與方法 200
第二節 插層結構光功能材料的納米限域效應 202
一、層間極性反轉與二維層間超分子固溶體 202
二、二維光生激子光物理 204
三、LDHs空間限域效應 207
四、LDHs電子限域效應 213
五、二維層間電子轉移 219
六、二維上轉換發光 220
第三節 插層結構光功能材料的應用 223
一、發光材料與傳感器 224
二、光電催化材料 231
三、光電轉換材料及應用 233
四、光能存儲材料及應用 236
五、光催化燃料電池 239
第四節 小結與展望 241
參考文獻 242
第七章 超分子插層結構生物醫用材料 251
第一節 藥物控釋材料 252
一、化療藥物控釋 254
二、基因控釋 255
三、免疫刺激劑控釋 256
四、其他藥物控釋 258
第二節 診療一體化材料 259
一、LDHs在成像診斷領域的應用 259
二、LDHs在癌癥治療方面的應用 261
三、LDHs構建的診療一體化平臺 264
第三節 生物傳感材料 265
一、生物傳感器簡介 265
二、基于LDHs的葡萄糖檢測 266
三、基于LDHs的H2O2檢測 268
四、基于LDHs的多巴胺檢測 268
五、其他生物分子的檢測 269
第四節 組織工程 271
一、LDHs支架復合材料在組織工程中的應用 271
二、LDHs載體復合材料在組織工程中的應用 272
三、LDHs在組織工程抗菌中的應用 274
第五節 小結與展望 276
參考文獻 278
第八章 超分子插層結構能源材料 287
第一節 電催化材料 289
一、LDHs在電催化析氧反應中的應用 289
二、LDHs在電催化有機氧化反應中的應用 299
三、LDHs在電催化還原反應中的應用 299
四、小結 302
第二節 光催化材料 303
一、光催化材料典型應用 304
二、光電催化材料 316
三、光伏催化材料 317
四、光熱催化材料 319
第三節 超電容材料 321
一、LDHs儲能材料的電化學活化 321
二、納米陣列電極LDHs超級電容器 324
三、多級納米結構LDHs超級電容器 324
四、LDHs/碳復合超級電容器 327
五、LDHs/導電聚合物復合超級電容器 328
六、柔性超級電容器 329
第四節 插層結構能源材料—電池材料 332
一、二維插層納米材料在儲能方面的研究與應用進展 333
二、LDHs在陰離子型二次電池中的應用 334
三、基于LDHs拓撲轉變合成及改性鋰離子電池正極材料 337
四、基于LDHs前驅體法的二次電池負極材料 341
五、LDHs作為載體用于Li-S電池和金屬鋰電池 351
六、結束語 354
第五節 小結與展望 354
參考文獻 356
第九章 超分子插層結構功能助劑 369
第一節 超分子插層結構無鹵阻燃劑 370
一、阻燃劑概述 370
二、插層結構無鹵阻燃劑的構筑與性能 371
三、插層結構無鹵阻燃劑的應用 373
第二節 超分子插層結構高效抑煙劑 374
一、抑煙劑概述 374
二、插層結構高效抑煙劑的構筑與性能 375
三、插層結構高效抑煙劑的應用 377
第三節 超分子插層結構PVC熱穩定劑 378
一、PVC熱穩定劑概述 378
二、插層結構PVC熱穩定劑的構筑與性能 379
三、插層結構PVC熱穩定劑的應用 382
第四節 超分子插層結構紅外吸收材料 382
一、保溫農用薄膜和紅外吸收材料 382
二、插層結構紅外吸收材料的構筑及性能 383
三、插層結構紅外吸收材料的應用 386
第五節 超分子插層結構氣密材料 388
一、主體結構調控與氣密性能強化 388
二、客體組成調控與氣密性能強化 389
三、主客體相互作用控制與氣密性能強化 390
第六節 超分子插層結構紫外阻隔材料 392
一、紫外阻隔材料的種類與作用機理 392
二、插層結構紫外阻隔材料的構筑及性能調控 393
三、插層結構紫外阻隔材料的應用 398
第七節 超分子插層結構吸酸劑 399
一、聚烯烴的合成與吸酸劑 399
二、插層結構吸酸劑的構筑及作用機理 400
三、插層結構吸酸劑的應用 401
第八節 超分子插層結構固體潤滑材料 402
一、固體潤滑材料簡介 402
二、典型固體潤滑材料 402
三、插層結構固體潤滑材料 404
第九節 小結與展望 406
參考文獻 407
索引 415
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