金属研究的有机化学论文

摘要：金属有机化学作为一个前沿学科，在实际发展过程中赢得了广泛关注，打破了有机化学和无机化学之间的界限，同时融合了多种不同的学科，成为化学的前沿领域之一。下面小编整理了一些《金属研究的有机化学论文(精选3篇)》，仅供参考，大家一起来看看吧。

金属研究的有机化学论文 篇1：

《物质结构与性质》模块的学科认知理解及其教学启示*

摘要： 现代物理实验技术是物质结构研究的重要手段，理论与实验事实相互拟合与佐证是物质结构研究的基本范式，作用与能量是物质结构研究的核心话题，解释与预测是物质结构理论的功能旨向。高中《物质结构与性质》模块的教学要以这种本原性和结构化的认识为依托，用“技术—方法—创新”、“实验—数据—推理”、“微粒—作用—能量”和“结构—性能—应用”等观念统整教学，让学生充分认识和理解学科认知与推理方式，实现素养为本的课堂教学。

关键词： 技术方法创新; 实验数据推理; 微粒作用能量; 结构性能应用; 物质结构与性质

文献标识码： B

高中化学选择性必修2《物质结构与性质》将从原子、分子水平上认识物质构成的规律，以微粒之间不同的作用力为线索，侧重研究不同类型物质的有关性质，进一步丰富物质结构的知识，提高分析问题和解决问题的能力[1]。关于该模块课标在修订过程中整合了内容主题，注重形成统摄性认识;发展学生对研究物质的不同尺度的认识;注重结构模型的发展过程和研究方法[2]。修订后，“粒子之间的相互作用”“尺度”“研究物质结构的方法与价值”等核心概念得到了加强。

对照2017年版课程标准的要求，反思10多年来教学的实际情况，可喜的是一线教师接纳了该模块的知识体系，积累了很多的教学经验，多数学生在高考中也愿意选考该模块，但也出现了识记性教学内容偏多，分析解决问题、方法观念类问题相关的教学渗透较少的情况。查阅文献也发现已有关于物质结构与性质的研究主要集中在三方面，一是对《物质结构与性质》教材编写、内容选择的相关研究[3]，二是对本模块教学实施状况的调查研究[4]，三是对疑难概念的澄清解读[5，6]，其中涉及学科本体理解及教学策略的研究较为少见，但也不乏从物质结构思维进行学科思维的认识[7]。可见，从学科上位加强对《物质结构与性质》的理解，从而对教学实践进行指导仍需全面而深入的思考。本文试图从研究方法和研究范式角度构建对该模块的本原性认知理解，剖析物质结构与性质的认知特点及其带来的教学启示，对增进化学教师的学科理解、落实素养为本的课堂教学有着重要的意义。

1  物质结构理论认知特点的剖析与理解

1.1  光谱分析打开物质结构研究的大门、推动物质结构理论不断发展

结构化学是化学科学中一门重要的基础学科，是一门直接应用多种近代实验手段测定分子静态、动态性能的实验科学。近代测定物质结构的实验物理方法的建立，对于结构化学的发展起了决定性的推动作用。

量子力学现已证实，原子轨道是量子化的，分子轨道能级也是量子化的，微观粒子的运动普遍具有量子化的特征，而光谱分析法的基本原理就是将一定波长的电磁辐射作用于待测物质后，激发能级之间的跃迁，通过检测其所产生的辐射信号而建立的分析方法。我们透过各种谱图分析可研究物质在各个尺度、空间和能量层面上的结构信息（见表1）。

实验技术的创新有时甚至带来科学的巨变。现今，光谱分析的核心部件（如光源）及分析方法仍在不断创新改造中，使得测定对象越来越复杂，不再局限于结构稳定的物质，甚至包括生物大分子以及复杂多变的溶液中“活的”生物大分子的形态和结构，测定的速度也由过去的数年或数月缩短到现在的数天或数小时。相信不久的将来，技术的不断发展进步会给人们带来更多关于物质结构的惊奇发现。

1.2  理论与实验相互拟合、互为佐证是物质结构独特的研究范式

理论与实验的大量拟合是结构化学不断向前发展的重要推动力量，量子力学的发展历程最能体现这种特点。量子力学包含若干基本假设，由此出发建立起整个体系，推导出许多重要结论，这些基本假设不能用逻辑方法证明，其正确性只能由实践检验[9]。基于这种理论与实践的拟合，哥本哈根学派所建立的波动力学与原子光谱实验的拟合从而确定了电子既作为粒子又作为波的存在;自洽场法对多电子原子进行了理论计算，并与原子光谱实验相结合，逐步阐明了多电子原子的结构，即“构造原理”;研究分子对称性的群论与分子光谱实验的拟合从而确定了大量分子的结构;研究晶体的点阵理论与X射线、电子衍射、中子衍射实验的拟合从而确定了多种晶体的结构。

伴随着物质结构理论和实验事实的相互成功拟合，科学家定义了很多具有量化特征的概念，构成了理论研究和学习交流的重要话语体系（见表2）。

概念实验来源及数学解释

原子轨道原子中单电子的一种运动状态，可用一个状态函数（或称波函数）ψ（q， t）（q为坐标变量，t为时间）描述，ψ（q， t）包含着体系的全部可测物理量。根据电子的波粒二象性及一系列处理解析状态函数可得到n（主量子数），l（角量子数），m（磁量子数），后经光谱实验又引入自旋量子数ms，共4个量子数来描述原子轨道。

原子半径原子间距离可通过实验准确测定，但对原子半径的划分和推求又受所给条件的制约。可分為共价单键半径、共价双键半径、离子半径、金属原子半径和范德华半径等。其数值具有统计平均的含义。

电负性（Pauling）电负性标度χp是用两元素形成化合物时的生成焓的数值来计算的。Pauling认为若A和B两个原子的电负性相同，A—B键的键能应为A—A键和B—B键键能的几何平均值，而大多数A—B键的键能均超过此平均值，此差值可用以测定A原子和B原子电负性的依据。（χA-χB）2=EAB-EAA·EBB，式中EAB、 EAA、 EBB分别是以eV度量的化学键A—B、 A—A、 B—B的键能数值，Pauling指定F的电负性为4，其他元素的电负性即可相应地从键能求出[10]。

键能按照热化学的观点，键能是指在1个标准大气压和298K时，反应体系AB（g）A（g）+B（g）焓的增量。可直接从热化学测量中得到。从微观分析，键能可理解为A（g）和B（g）从无限远处彼此逐渐靠近，达到平衡距离时体系减少的能量。二者经过计算处理基本吻合[11]。

分子解离能双原子分子的解离能即为键能。多原子分子中仅仅拆断一个键，所需的能量称为该键的解离能D，它是很有价值的数据。但需要注意，键的解离能不能代表键能，因为拆开一个键，剩下的部分都可能发生键或电子的重排。把一个分子分解为组成它的全部原子时所需要的能量称为分子解离能，可以估算平均键能[12]。

晶格能测定结合盖斯定律计算，但由于电子亲和能数据不够准确，因此晶格能数据使用也不够广泛。

电子亲和能电子亲和能的绝对数值一般约比电离能小一个数量级，加之数据测定的可靠性较差，重要性不如电离能[13]。

电离能原子光谱实验测定不同谱线，结合数学推理计算。

键角、键长可以通过衍射光谱实验测定[14]。

1.3  作用与能量是物质结构研究的核心话题

薛定谔建立的波动力学、海森伯提出的矩阵力学以及狄拉克建立的算符力学统称为量子力学，为什么这里都用了“力”字？“力”表达出理论在建立之初充分考虑到了微观粒子的作用以及伴随的能量问题。作为量子力学的奠基人玻尔在成功解释氢原子光谱后马上投入到元素周期表的规律探讨中，因为他敏感地意识到了原子核与核外电子的作用规律。

在原子内部原子核与核外电子、核外电子与核外电子之间的作用，在能量的高低上表现为不同元素的独特的原子光谱谱线;分子内部则表现为原子核之间、价电子之间、成键电子与孤对电子之间的作用，主要作用形式（σ键和π键）的不同带来了共价键力学常数键长、键能、键角的不同;不同的聚集态如晶体、非晶体、超分子等内部粒子之间又表现为共价键、氢键、范德华力、离子键、金属键等，作用力强弱不同又带来了熔沸点、溶解性、反应温度等不同的理化性质。

需要注意的是，《物质结构与性质》模块中涉及的原子、分子、离子等静态的结构往往是多种相互作用使得体系能量达到最低的结果，可简称为能量最低原理。能量最低原理既是实验事实，也是量子化学计算的结果，是原子、分子、离子等微粒处于基态时作用的中心原理。能量最低原理在高中物质结构与性质学习中的举例如表3所示。

原子轨道按照构造原理、洪特规则和泡利不相容原理排布的电子才能使整个原子体系的能量处于最低，所以习惯叫“原子轨道”，而不叫“电子轨道”。这既是光谱分析的结果，也有量子理论计算的功劳。

价键理论现代价键理论认为成键原子的电子云只有正负匹配、对称性一致，才能实现最大重叠，电子云作为波的叠加效应才更明显;同时电子自旋相反才能使成键后体系能量降低，共价键才最稳定。

分子构型价层电子对互斥模型认为中心原子价层电子对互相排斥，进而导致远离，从而使得分子体系能量最低，从而稳定存在。

晶体结构分子晶体、原子晶体、金属晶体、离子晶体的结构看似复杂多样，但都是根据微粒半径大小、微粒所带电荷以及微粒间作用力的不同所采取的使整个晶体体系能量最低的排布方式。例如范德华力没有方向性，所以分子晶体为了使整个体系能量最低，采取分子密堆积的方式;又因为分子形状各异，有长的、圆的、扁的等各种形状，所以又有分子取向的问题，如碘单质晶体中有2种取向的分子，二氧化碳晶体中则有4种取向的分子等等。

1.4  解释与预测是物质结构理论重要的功能旨向

量子力学以及在此基础上建立的价键理论、分子轨道理论、配合物理论等数学复杂、概念抽象的深奥理论，只有少数的理论化学工作者精通计算、熟练运用，但它们却能成为整个化学研究工作者的理论基础，关键在于这些理论能在物质结构、性质和应用之间架起解释与论证的桥梁。人们在运用物质结构理论解释物质的性质、预测指引药物的合成、新材料的开发、高效催化剂的寻找等方面屡试不爽，解释与预测是结构化学理论重要的功能旨向。高中阶段物质结构理论的相关应用举例如表4所示。

原子结构理论的重大应用（1） 能级跃迁理论可应用于铯原子钟的制作，铯原子钟与一个国家的国防、卫星通信、军事等领域有重大的关系。

（2） 二战期间，纳粹德国看重量子理论的奠基人——玻尔，想让玻尔为其效力。玻尔逃亡到美国后与爱因斯坦等众多科学家参与了曼哈顿计划——投到日本的原子弹，从而导致了二战的及早结束。由此可见，原子结构理论并不抽象，其实际应用具体显见，威力巨大。

分子间作用力的实际应用（1） 水分子的极性与微波炉。微波振荡的电磁场对极性分子中正电荷和负电荷的两极发生静电相吸，结果造成这些分子发生振荡。由于分子的动能增大，则分子的温度也随着升高，水分子将其热能传递给食物，从而达到食物的加热目的。

（2） 壁虎的脚和日常生活的胶带的原理。壁虎的脚底上长有大量细毛，当接触物体表面时，这些细毛与物体表面的分子产生分子间作用力，而分子间力不太强，这样壁虎就可以行走自如。

（3） 氢键与植物吸水的原理。植物細胞里的纤维素、淀粉颗粒、蛋白质等亲水物质与极性水分子靠氢键的作用而引起细胞吸水。

（4） 波长为30nm的紫外线光子的能量为399kJ·mol-1，结合键能数据可分析出物质吸收这一波长的紫外线后易发生光化学反应，从而导致皮肤晒伤。

化学键的特点及实际应用（1） 陶瓷刀一般为原子晶体，虽然其硬度大，切菜锋利，但一旦遇到锤击的敲打，造成共价键的断裂，从而造成整个晶体的坍塌，因此使用时不能剁骨头，容易崩。

（2） 金属刀由于原子层滑动而金属键不被破坏，所以金属刀有一定的延展性，可以剁骨头。

（3） 金属晶体中自由电子可吸收波长范围极广的光，并重新反射出，所以金属晶体不透明，且有金属光泽，对辐射能有良好的反射性能。因此，医院中核磁或X光照射检查室的门都是用金属制成的。

（4） 离子晶体比较脆，例如鸡蛋壳易碎;大理石不易加工铸型，只能做线雕等等。

2  學科认知理解带来的教学启示

基于前述对物质结构与性质的学科认知理解，分析其对高中化学的教学策略启示如图1所示。

2.1  “技术—方法—创新”作为素材引入统整教学

光谱分析方法打开了物质结构研究的大门，物质结构分析中处处应用了高精尖的物理科技手段。“技术”“方法”“创新”三个关键词应作为教学引入的素材统整物质结构的全程教学。“创新”是技术发展的关键词，也是高中学生要领悟的学习方法的精华。因此，物质结构教学要引导学生利用技术创新的视角扩大学生的思想境界。例如在氢键的教学过程中，教师可借助下面的教学素材[15]增进学生对技术的理解，激发学生的家国情怀以及创新意识。

教学素材： 自从诺贝尔化学奖得主鲍林在1936年提出“氢键”这一概念后，化学家们就一直在争论： 氢键仅仅是一种分子间弱的静电相互作用，还是存在有部分的电子云共享？2013年，我国国家纳米科学中心研究员裘晓辉和副研究员程志海领导的实验团队，以及中国人民大学物理系副教授季威领导的理论计算小组合作完成了对氢键的观测。他们通过对非接触原子力显微镜进行了核心部件的创新，极大提高了这种显微镜的精度，终于首次直接观察到氢键，为争论提供了直观证据。

2.2  “实验—数据—推理”作为证据推理统整教学

量子力学理论、对称性理论、点阵理论与现代物理实验相互拟合的证据推理过程在基础教育阶段中很难向学生介绍，但其基于实验事实运用数学推导进而与实验相吻合的定量化推理方式却应是我们重点关注的教学方向。基于实验、运用数据、论证推理的“实验—数据—推理”思想是落实证据推理与模型认知素养的关键举措，应统整物质结构的课堂教学。下面展示了笔者在教学中利用“实验—数据—推理”思想指导的“金属键”教学片段。

[教师]原子化热可理解为金属离子挣脱金属键的束缚重新将电子捕获过来，成为金属原子并相互远离所吸收的能量，可通过实验测定。你认为原子化热与金属键是怎样的联系？

[学生]金属键是金属内部原子与自由电子之间强烈的相互作用，相互作用的强弱可以通过原子化热的实验测量进行表征。原子化热越大，证明金属键越强。

问题链的教学意图：促进学生运用实验数据进行证据推理。

[教师]下表展示了Na、Mg、Al原子结构、原子化热、熔点等信息。你能构建这些信息之间的关系吗？

[学生]按照Na、Mg、Al的顺序，原子化热越大，说明金属键越强。微观上金属键的强弱受制于原子半径和外围电子，价电子越多、原子半径越小，金属键越强;宏观上金属键影响了熔点，金属键越强，熔点越高（也包括硬度）。

[教师]同学的回答非常好。那熔点、原子化热又有什么区别和联系？

[学生]熔点、原子化热都是通过实验测定的数据，和金属键的强弱都有关系。熔点涉及金属由晶体到液体的过程，金属键并没有完全消失;原子化热涉及由金属晶体到气态的过程，金属键完全断开，可更好地表征金属键的强弱。

问题链的教学意图：促进学生利用数据、辨析数据，进行宏微结合、证据推理。

[教师]好，通过同学们的分析，我们可以构建如下关于金属键的分析模型：

金属NaMgAl

外围电子排布3s13s23s23p1

原子半径/pm186160143

原子化热/kJ·mol-1108.4146.4326.4

熔点/℃97.5650660

2.3  “微粒—作用—能量”作为核心话题统整教学

微粒、作用和能量是贯穿《物质结构与性质》模块的核心概念。虽然从微观角度微粒及其作用不可见，但其物理化学意义却非常真实。教学中要借助熔沸点、吸放热、反应温度等各种数据或反应事实充分揭示物质内部粒子之间的相互作用以及伴随的能量问题。以水为例，水在0℃、 100℃、 1200℃的三种变化分别表现了氢键、范德华力、共价键等作用力的本质。教学中引导学生对比100℃和1200℃温度能看出氢键以及范德华力的作用远远小于共价键的作用（见图2）。

需要特别注意的是“微粒”“作用”“能量”三个核心概念是统一于一体的，而能量最低原理是理解微粒之间相互作用的重要观念，教师要在充分理解这一概念的基础上让学生明晰构造原理、电子配对原理、价层电子对互斥模型、晶体的不同结构特征等等都是基于能量最低原理的体现，减少学生的死记硬背，加强学生的理解。

2.4  “结构—性质—应用”作为核心观念统整教学

成功地发挥解释和预测功能是结构化学理论不断蓬勃发展的重要原因。教学中要充分发挥结构化学理论的这一功能旨向，也借此调动学生对结构化学的学习兴趣。例如在氢键的教学中教师利用氢键解释同主族氢化物的熔沸点规律、分子内和分子间氢键对熔沸点的影响、不同物质的溶解性、水杨酸二级电离的酸性、多聚体带来分子量测定时的异常、氢键方向性带来冰与水的密度比较，甘油、硫酸粘度较大，水的表面张力很大、植物细胞吸水、DNA的双螺旋等，充分发挥氢键的解释功能，引起学生对理论学习的超强价值体验，提高学生分析问题和解决问题的能力。

综上所述，结合物质结构与性质的认知理解，教学中用“技术—方法—创新”“实验—数据—推理”“微粒—作用—能量”“结构—性质—应用”等观念统整教学，让学生充分认识和理解学科认知与推理方式，构建对化学科研理解的真实图景，形成可迁移到其他模块或其他学科的学习能力和必备品格，为以后的学习研究打下坚实的基础，是《物质结构与性质》模块教学中教师要摸清的重要教学方向。

参考文献：

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[4]顾晔. 辩证思维方法在高中化学“物质结构与性质”模块教学中的应用[J]. 化学教学， 2013， （2）： 70～73.

[5]严业安. 《物质结构与性质》复习中若干疑难问题辨析[J]. 福建基础教育研究， 2015， （11）： 57～59.

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[7]吴俊明， 钱秋萍. 化学的物质结构思维与教学[J]. 化学教学， 2018， （11）： 7～16.

[8]黄承志主编. 基础仪器分析[M]. 北京： 科学出版社， 2017： 16， 23， 65， 73.

[9][10][11]李炳瑞编著. 结构化学（第3版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2017： 14， 64， 92.

[12][13][14]周公度， 段连运. 结构化学基础（第3版）[M]. 北京： 北京大学出版社。2002： 189～190， 51～53， 187.

[15]Jun Zhang， Pengcheng Chen， Bingkai Yuan， Zhihai Cheng， Xiaohui Qiu. RealSpace Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy [J]. Science， 2013， 342（1）： 611～614.

作者：高晓伟 王秀红

金属研究的有机化学论文 篇2：

金属有机化学的发展及应用浅析

摘   要：金属有机化学作为一个前沿学科，在实际发展过程中赢得了广泛关注，打破了有机化学和无机化学之间的界限，同时融合了多种不同的学科，成为化学的前沿领域之一。针对金属有机化学进行全面的研究，首先简单了解金属有机化学的主要内容，其次从金属有机化学以及有机化合物入手分析其当前发展现状，最后详细研究这种技术在工业、医药、能源、新材料、环保、农业等方面的应用情况。

关键词：金属有机化学;金属有机物;科研工作;农业应用

金属有机化学在不断发展进步的过程中，应用领域也随之扩张，在推动科技发展上具有重要的意义。金属有机化学可以分为过渡金属有机化学和稀土金属有机化学，前者在抗癌、杀菌方面有着广泛应用，后者因其独特的结构和催化性质，得到了各界重视。有效加强金属有机化学的研究，对有机反应规律进行深层次的探索，可以更好地促进新反应、新合成的实现，因此，需要加强对金属有机反应的机理研究。

1    金属有机化学的主要内容

金属有机化学主要的研究内容是一种含有碳-金属键的化学，作为有机化学、无机化学的交叉学科，在实际应用中和石油化学工业、制药工业、材料科学等内容有着密切联系。金属有机化学在实际发展过程中逐渐和理论化学、合成化学、催化结构化学、生物无机化学、高分子化学结合在一起。现如今，金属有机化学可以分为两个方面：过渡金属有机化学和稀土金属有机化学。

目前，过渡金属有机化学的研究人员较多、发展速度较快，其本身是由多学科交叉渗透而成的分支学科，和催化学科之间的关系最为密切，二者的融合不仅能够创造出活性较高、选择性较强的新型催化剂，还可以用作多种特殊性能高分子材料，最为主要的是一些过渡金属有机物本身就是非常有效的抗癌药物、杀菌剂、抗生素等药物。稀土金属有机化学也是当前的研究热点，稀土资源本身就较为稀缺，在实际发展过程中，可以用于荧光、催化等工作[1]。中国稀土资源非常丰富，因此加强对稀土金属有机化学的研究可以推动稀土金属有机化学物质的制备。比如合成中性稀土有机氢化物就是利用稀土催化剂生产而成的。目前，金属有机化学主要应用在医疗、农业、工业3个方面。随着研究的不断深入，未来金属有机化学还会逐步应用在新材料、环保、能源等方面，更好地解决新问题，带动国家各行业全面发展。让金属有机化学在各领域中都能够得到广泛应用，可以从根本上克服传统行业领域在实际生产发展过程中存在的缺陷。

2    金属有机化学以及有机化合物的发展现状

金属有机化学在实际应用过程中具有重要作用，拥有着广泛的应用背景，但从目前来看，国家关于金属有机化学的研究还有待进一步提高，想要更好地应用金属有机化学，就要对其发展及应用展开全面分析。在实际发展过程中，金属有机化合物是金属有机化学的重要组成部分，从实际发展情况来看，被发现最多的是碳-金属键，至今依然有很多金属元素没有合成相应的金属有机化合物，因此还需要对合成方法进行进一步的研究和探索。

随着研究的不断深入，未来还会有很多特殊性能的金属有机化合物被发现，比如，戊金属催化剂是烯烃聚合反应的新型催化剂，现阶段，又發现了二戊铁可作燃烧催化剂。金属有机化学最初主要应用在绿色化学中，保证反应原子的经济性和高选择性。新时期，金属有机化合物作为光学材料、电子材料和医药材料在多个行业领域中得到了广泛应用，也是目前正在开发的领域。未来，金属有机化学将会得到更加广泛的应用，将研究理论转化为生产力，推动行业得到真正的发展[2]。

3    金属有机化学在各领域中的应用情况

3.1  金属有机化学在工业领域中的应用

金属有机化学在工业领域中的应用已经是常态，现如今大部分金属有机化合物中最常见的就是碳-金属键，作为世界上最轻的金属，在工业发展过程中具有至关重要的作用，比如，应用在航空航天设备中的金属以及化工行业中的金属有机物催化剂中含有非常重要的金属有机化学产品。目前，中国关于金属有机化学在工业领域中的应用方面的研究还处于初级发展阶段，在实际发展过程中，还需要进行深层次的研究分析，以保证工业领域得到更好的发展，又比如，金属有机化合物在石油化工、高分子化工、提炼化工等催化剂方面都有着广泛应用，可以让工业技术水平得到大幅度提高。目前，中国已经积极投入到了英国开展的碳金属研究工作中。在八羰基合二钴的催化下，氢甲酰化会进一步生成丁醛，在此基础上，就可以有效代替醇醛缩合法对乙醛进行处理[3]。

3.2  金属有机化学在医药领域中的应用

医疗卫生行业的稳定发展，关系到一个国家、社会的安定，目前，世界各国都在积极开展医疗研究。从医药产品世界市场发展上看，美、日生产的医疗产品基本占据了全部的市场领域，尤其是美国的医疗卫生产品。美国的医疗卫生行业广泛应用了金属有机化学。中国想要在激烈的国际竞争中拥有一席之地，就要加强金属有机化学在医药领域中的应用，推动医药行业得到进一步发展，比如，有机锑化合物、有机汞化合物、有机砷化合物都可以作为医药产品，分别用于治疗血吸虫病和黑执病、梅毒等。不仅如此，利用金属有机化合物开发抗癌性药物也是当前的研究重点，需要得到进一步发展，比如，红药水中就包含了有机汞药物，在实际应用过程中，醋酸苯汞或者汞溴红的2%水溶液就是红药水，而醋酸苯汞和汞溴红本身可以分别作为防腐剂和消毒剂应用。

3.3  金属有机化学在能源领域中的应用

石油、煤炭都是国家发展过程中非常重要的资源，但不可再生资源在实际发展过程中日渐减少。能源在国防、军事、生产、生活等方面都必不可少。加强对金属有机化学的研究，可以让可再生清洁能源的吸收效率、转换效率、储能水平得到进一步的提高[4]。以太阳能为例，在实际应用过程中，可以借助金属有机化合物提高开发水平。除此之外，氢气作为新型清洁能源，是未来应用较为广泛的能源之一，利用氢气本身无污染、高效率等特点，可以实现模仿生物功能的人工固氮技术。这本身就属于金属有机化学范畴，借助有关知识，可以让氢气得到更好的应用。金属有机化学本身的特殊性，让其可以在能源领域中得到广泛应用，以此推动能源行业得到进一步发展，比如在航天工业中应用二戊铁，将其作为节能添加剂使用，可以有效减少能源的应用，根据实际统计情况，至少可以节约10%的能源。

3.4  金属有机化学在新材料领域中的应用

金属有机化学在新材料中的应用也不能忽视，是当前的研究热点之一，在实际发展过程中，新型金属膜是金属有机化学在新材料领域的应用中最具代表的一种。新型金属膜克服了传统生产工艺中的缺点，质地均匀、没有气泡，因此得到了广泛应用，这离不开金属有机化合物的参与，金属有机化合物具有高耐热性、高蒸汽压等特点，在制备过程中，可以更好地适应生产工艺。不仅是新型金属膜，纳米材料的制备也需要借助金属有机化合物的参与，以此强化纳米材料的可抗性、选择性等特点。在制备纳米材料的过程中，金属有机化合物对反应的可控性较强，可以轻易溶解于有机溶剂中，具有较强的反应选择性。此外，金属有机化合物可以作为电子材料、光学材料、无机材料的催化剂，保证材料开发的经济性、质量水平和实际功能，以此达到材料研发的根本目的。

3.5  金属有机化学在环保领域中的应用

金属有机化学在环保方面的应用也逐渐引起人们的重视，最初的金属有机化学就是应用在绿色化学中，以降低化学反应成本，确保反应得到全面的发展。新时期，绿色化学的研究热度不断提高，在远离积极性的同时，预防污染、减少毒副产物等方面的研究也在逐渐增加。环境保护、环境污染预防将会是未来金屬有机化学的研究重点目标之一，比如金属-有机配位聚合物（MOCPs）在实际应用中，就可以有效减少环境污染;金属有机化合物在气体的吸附与分离、离子交换、荧光传感、非均相催化等许多方面具有潜在的应用价值，可以有效调节反应体系的pH、温度、浓度、溶剂体系等因素，应用在一些高污染化学工业中，可以减少环境污染，加强环境保护。由上可知，二戊铁可以用作节能添加剂，减少航天工业所需要的固液气体燃料用量，在实际应用中，还能够对燃烧产生的气体烟雾进行清除，以起到良好的环保效果。

3.6  金属有机化学在农业领域中的应用

金属有机化学在农业领域中也有着广泛的应用，尤其是在发达国家中，利用金属有机化学制作农药和化肥。常见的金属有机化学产品包括有机磷、有机汞、有机化肥等。比如代森锌、西力生和赛力散等，都是非常常见的金属有机化学在农业中应用的代表。以代森锌为例，在实际应用中，可以用于防治小麦锈病、马铃薯晚疫病、黄瓜霜病等各种农作物病害问题，这些产物在实际应用过程中具有高效率、低副作用、施用广泛等特性。其中，有机汞和有机化肥等药物常用于除草，有机磷常用作杀虫剂，如美国、以色列、澳大利亚等国家利用飞机进行洒药和施肥，可以让农业工作效率得到进一步提高。相比较而言，中国农业受到多方面因素的影响，无法广泛应用这种方法，但可以在华北、东北等平原地区应用这种技术，在其他地区加大对金属有机化学的研究，以研发出适合地势、人口的施肥洒药技术，并且开发出更符合当地种植情况的金属有机化学农业产品。

4    结语

金属有机化学是一门新兴边缘学科，随着研究的不断深入，在实际应用中的范围扩大，应用市场也会逐步扩大。作为化学的分支，金属有机化学在国家发展过程中具有非常重要的作用，尤其是在能源、国防、医疗、环保等方面，这项技术具有重要的发展作用。随着生产力不断提高，科研工作也得到了全面发展，社会生产、工业化水平得到提高，生产力得到真正的提高和解放。

[参考文献]

[1]何钦为.浅析金属有机化学的发展及应用[J].科技展望，2016，26（32）：116.

[2]赞青公.金属有机化学的发展及应用研究[J].西部皮革，2016，38（12）：10.

[3]张丹琪.关于金属有机化学的发展及应用[J].信息化建设，2016（4）：328.

[4]郭  云.无机化学和有机化学的桥梁—金属有机化学[J].化工管理，2016（4）：107.

作者：刘雨晴

金属研究的有机化学论文 篇3：

浅谈有机太阳能电池

摘 要：有机太阳能电池具有效率高、成本低、工艺简单、耗能少、易于大规模生产等优势，成为近十年来国内外科研人员研究的热点。文章介绍了有机太阳能电池的工作原理，电池材料和种类，并对其应用前景进行了展望。

关键词：有机太阳能电池 工作原理 材料和种类 应用前景

太阳能取之不尽，用之不竭，，清洁无污染[1]。太阳能电池工作过程就是把入射太阳光的光能量转化为电能的过程。太阳能以其分布广、利用形式多样、环保无污染等特点而成为新能源开发利用的重点。

近些年来人们研制和开发了许多不同类型的太阳能电池[2]。目前研究和开发的种类包括单晶硅、多晶硅、有机材料、钙钛矿等太阳能电池。其中有机半导体材料一方面因其成本低，质地轻，柔韧性好，另一方面又因其制备工艺简单，可低温操作，环境友好等优点，逐渐成为人们的关注焦点和研究内容。

1 有机太阳能电池的发展

太阳能电池的主要是朝着降低制造成本，改善太阳能电池的性能和减少大规模生产对环境造成的影响发展的。人们开始探索有机化合物应用到太阳能电池可追溯到20世纪70年代。肖特基电池为最早期的有机太阳能电池[3]，有机太阳能电池从单层有机电池结构，双层异质结电池结构，体异质结电池结构一路发展过来，其中体异质结电池结构对有机太阳能电池效率的提升有着极大的促进作用，从十几年的发展来看有机太阳能电池有着非常光明的应用前景。

2 有机太阳能电池的特点

和晶硅太阳能电池相比较，有机太阳能电池具有如下优点：（1）原料来源广泛且清洁无污染。（2）电池制作多样化。（3）能够多途径改变、提高材料光谱吸收能力。（4）加工容易，可大面积成膜。（5）廉价、工艺简单，使得有机太阳能电池具有很强的竞争力。

3 有机太阳能电池工作原理

工作原理：（1）在光子入射到光敏材料时，吸光材料吸收光子电子从HOMO轨道受激发跃迁到LUMO轨道上，在 HOMO轨道上形成一个空穴。（2）形成的电子和空穴相互束缚形成电子-空穴对，也叫做激子。（3）在內建电场作用下，二者定向移动，电子被阴极收集，空穴被阳极收集，形成光电流。（4）外部电路若被接通，内部形成的电流被释放形成回路。

4 有机太阳能电池材料

4.1 有机小分子太阳能电池材料

有机小分子是制造太阳能电池材料的一种途径，作为光电材料常常采用蒸镀的方法，经多年以来的发展，也可以采用溶液加工方式。由于其结构唯一，易纯化，在材料批量生产中显示出了重要的特色，在有机小分子分子自行的组织过程中太阳能电池功效也得到了提升[4]。其中酞菁类化合物（phthalocyanine）比较典型，因其易得廉价，热稳定性好而成為重要半导体基础材料。

4.2 有机大分子电池材料

共轭聚合物是具有半导体性质的有机大分子化合物[4]。通常聚合物给体材料在对光的吸收利用中起主导作用，因此需减小聚合物给体材料带隙能够拓展对太阳光的吸收。聚合物给体材料还需要较高的空穴迁移率以迅速地将光生空穴输运至阳极[5]。聚合物材料主要有聚噻吩（PTH）衍生物、聚苯胺（PANI）等。

4.3 D-A体系

为解决共轭聚合物给体和C60受体和它们之间的受体问题，将具有给电子性质的分子以共价键的方式连接到受体上，形成分子级的D-A结材料[6]。它可以减小聚合物给体材料带隙，提高迁移率，能够满足网络输出中工作要求。这些材料一直是我国太阳能电池研究的重点内容[7]。

4.4 有机无机杂化体系

以共轭聚合物（电子给体材料）和无机半导体材料（电子给体材料）的复合材料为主要原料，随着人们研究的不断深入，无机半导体与C60衍生物共用作为受体材料的研究也广受关注，无机半导体表面的改性研究也将日益俱增。目前，将噻吩聚合物接到纳米管表面，可共同发挥作用，可提高电池与光能的接触面积[8]从而保证供电质量。

4.5 模拟叶绿素分子结构材料

绿色植物的光和作用给了人们很大的启发，研制出了有机半导体材料-模拟叶绿素材料。叶绿素分子受光激发后产生电荷分离态是其中关键的一步，并且电荷分离态的寿命可长达1 s。电荷分离态存在时间越长对电荷的输出越有利。美国阿尔贡国家实验室的工作人员合成了化合物C-P-Q[9]。

5 有机太阳能电池分类

5.1 单质结结构有机太阳能电池

单质结有机太阳能电池的有效层中只有一种材料（主要是MgPc染料），其电池结构：玻璃/金属电极/染料/金属电极。其工作原理为：两个电极的功函差或金属与有机材料接触而形成的肖特基势垒产生内电场[10]。电子被低功函数的电极提取，空穴被来自高功函数的电子填充，则在光照下形成光电流。但由于有机染料内激子的迁移距离相当有限，所以在同一材料中传输因而复合几率较大，因而光电转换效率普遍较低（一般<0.01%）。

5.2 p-n异质结结构有机太阳能电池

电池结构：玻璃/ITO/n-染料/p-染料/金属电极。其工作原理为：给体材料吸收光子后产生激子，激子会运动到给体-受体界面，在此电子会注入到作为受体的有机半导体材料中，激子分离出空穴和电子[13]，在内电场的作用下电子进入n侧，空穴进入p侧，二者分别转到两个电极上，形成光电流。较单质结有机太阳能电池而言，其引入了电荷分离的机制（给受体材料界面）明显提高了激子的分离效率，从而使p-n异质结结构有机太阳能电池光电转换效率高。但这种结构也有缺陷，由于激子的扩散长度（一个供体-受体界面长）有限，大多激子在到达界面之前就损失掉了，限制了吸收光子的数量，所以此类有机太阳能电池的光电转化效率还是不高[11]。提高有机太阳能电池光电转换效率的措施有：增加 D/A 界面、改进电池结构、开发新材料等。

5.3 p-n本体异质结结构有机太阳能电池

电池结构：玻璃/ITO/A+D混合材料/金属电极，它是有机太阳能电池发展历程中出现的新型结构。形成的给体和受体材料互相贯穿的导电网络中任何位置产生的激子，都可以通过很短的路径到达给体-受体界面，使电荷分离效果得到提高，因而也使得光电转化效率得到提高。但这种结构也存有缺陷：由于给体和受体区在电极间并不是真正的连接，因此在任何小区域内载流子都可能会被阻拦或捕获。提高电池的光电转化效率的一条方法就是必须增加有效的D/A界面面积[11]。

5.4 染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池是由导电基体材料（透明导电玻璃）、纳米多孔半导体薄膜（TiO2）、染料光敏化剂（Ru的络合物）、电解质（I2/I3-）和对电极构成。其工作原理和叶绿体光合膜光合作用原理十分类似，光子对光合膜作用的结果，实质是光合膜内外营造了一个电场，电子从膜内传送到膜外，在膜内留下空穴，在光子作用下电子运动构成了内外电流用[12]。它的优点是制作方法简单，无毒无污染，光电转化效率高，成本低。是目前非晶硅太阳能电池的有力竞争者，目前它的效率超过11%[13]。但它的缺点就是使用的电解质是液体，使用起来不方便。

6 展望

有机太阳能电池可以很好地克服傳统太阳能电池面临的部分问题，与传统太阳能电池形成优势互补，两者的结合将显著拓展太阳能电池的实际应用领域，而且有机太阳能电池材料能够容易进行分子水平上的裁减和设计，它的生产工艺简单，可以制备大面积轻盈薄膜等[9]，具有很大的潜力和光明的前景。但不足也很多，目前首要方向应该是开发新型活性材料，要求其能够对太阳光宽谱吸收。总而言之，可以预测：效率高、成本低、工艺简单的有机太阳能电池在不久的将来必然会商业化和广泛普及。

参考文献

[1] 李政道，陈亮，周勇，等.纤维状染料敏化太阳能电池研究进展[J].科学通报，2017（14）：1480-1491.

[2] 黄飞，张凯.有机太阳能电池[J].科学，2016，68（3）：20-24.

[3] 蔡东东，朱德钦.有机太阳能电池材料研究进展[J].广州化工，2012（7）：69-71.

[4] 许红波.有机太阳能电池材料研究新进展[J].科技创新与应用，2016（9）：86.

[5] 朱美芳，熊绍珍.太阳能电池基础与应用[M].2版.北京：科学出版社，2014：551.

[6] 王启明，褚君浩，郑有.太阳能电池发展现状及性能提升研究[M].北京：科学出版社，2014：145.

[7] 黄林泉，周玲玉，于为，等.石墨烯衍生物作为有机太阳能电池界面材料的研究进展[J].物理学报，2015（3）：26-35.

[8] 廖艳闺.有机太阳能电池材料研究新进展[J].科技创新与应用，2016（13）：64.

[9] 段晓菲，王金亮，毛景，等.有机太阳能电池材料的研究进展[J].大学化学，2005（3）：1-8.

[10] 张天慧，朴玲钰，赵谡玲，等.有机太阳能电池材料研究新进展[J].有机化学，2011（2）：260-272.

[11] 李甫，徐建梅，张德.有机太阳能电池研究现状与进展[J].能源与环境，2007（4）：52-54.

[12] 张春福，张进成，马晓华，等.半导体光伏器件[M].西安电子科技大学出版社，2015：262.

[13] 刘小青，王立.有机太阳能电池应用前景展望[J].能源研究与管理，2010（4）：1-3.

作者：赵亮