功能性材料金屬磷酸鹽/亞磷酸鹽之合成、結構與性質

Exploration of New Functional Materials: Syntheses, Structures and Properties of Metal Phosphates / Phosphites

黃書豪

指導教授 ： 王素蘭

國立清華大學/理學院/化學系/博士(2012年)

摘要

本論文主要利用硼酸熔融法或中溫中壓水熱合成法得到一系列
的功能性金屬磷酸鹽/亞磷酸鹽化合物並探討其性質與潛在應用性。
所有化合物先以單晶X 光繞射進行結構解析，再測量其特殊的物理
或化學性質。所得化合物依照應用取向可分為三個系列：
A 系列主要介紹如何運用 “硼酸熔融法” 來合成新穎Li-M-XOm
類型的鋰電池陰極材料。所得到的8 個化合物中，A-1 已成功地應用
到鋰電池上並進行充放電行為，而A-2 與A-3 則具有高達 120 mAh/g
的理論電容量相當值得期待與重視。合成時以Na+或K+取代Li+後，
可獲得另五個新穎金屬亞磷酸鹽，其中A-5 到A-8 的層狀結構中具有
極為特殊的結構關聯性也吸引我們深入探討。延續此系統，我們希望
開發出具高電容量的全新陰極材料，甚至可取代現有商業化的產品。
B系列中成功利用芳香性羧酸btec 與有機胺bpy 的組合搭配溶劑
H2O / DMF，開發出一個新穎的有機複合金屬磷酸鹽NTHU-8，是利
用一維鋅磷酸鹽無限鏈與一維有機超分子鏈的連結，所建構成的三維
骨架結構。不但在氮氣吸附上呈現特殊的雙重孔洞型態，還具有金屬
磷酸鹽中少見的氫氣吸附能力。藉由探討NTHU-8 的結構特殊性與
氣體吸附性，我們更瞭解此一罕見複合材料系統的獨特性與新穎性。
C 系列中我們延續複合金屬磷酸鹽的發展，得到第一個具螢光性
的NTHU-10 與具高量子效率的NTHU-10tmdp，它們不但有特殊的
多重放光峰之性質，還擁有具相同結構但螢光性不同的光學類比物，
此特殊現象違反物質科學中“結構與性質關聯性”的基本知識。我們也
經由許多輔助實驗的結果了解其發光機制，並試圖推衍出一個模型來
合理解釋此現象，期望未來能有強力的證據來證實其中的真正原因。
此外，我們也希望能將量子效率高達56 % 的10tmdp-a 成功應用到
螢光粉範疇中，以開創複合性螢光材料的商業應用性。
在此三個研究系統中，我們得到新穎的金屬磷酸鹽/亞磷酸鹽，
並成功地應用在鋰電池陰極材料、氣體吸附材料、螢光材料等領域，
提供結構與功能性上的突破創新，希望未來能再開拓出更多應用性。

關鍵字

微孔洞材料 ； 鋰電池陰極材料 ； 氣體吸附性質 ； 光致發光性質

參考文獻

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