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        γ-Cu2(OH)3Cl的常壓及高壓拉曼光譜研究

        2022-07-09 03:17:24羅亞肖張劍李艷偉
        光散射學(xué)報(bào) 2022年1期

        羅亞肖,張劍*,李艷偉

        (1. 吉林大學(xué),超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130012;2.吉林大學(xué)第二醫(yī)院,全科醫(yī)學(xué)科,長春 130041)

        1 引言

        羥基氯化銅,也叫做堿式氯化銅,其化學(xué)式為Cu2(OH)3Cl?,F(xiàn)已在自然界中發(fā)現(xiàn)羥基氯化銅的三種物相,它們實(shí)際上互為同分異構(gòu)體[1]。三種物相分別是:空間群為Pnma的正交晶系的atacamite氯銅礦(也稱作β-Cu2(OH)3Cl);空間群為P21/m的單斜晶系的botallackite羥氯銅礦(也稱作α-Cu2(OH)3Cl);以及空間群為P21/n的單斜晶系的clinoatacamite斜氯銅礦(也稱作γ-Cu2(OH)3Cl)[2-4]。此外,羥基氯化銅還可能以第四種物相出現(xiàn),被稱作paratacamite(副氯銅礦),但它需要由Zn或Ni部分取代Cu原子才能穩(wěn)定[5]。這些羥基氯化銅材料及其相關(guān)的衍生物共同組成了atacamite家族。

        Atacamite家族作為一種礦物,在自然界中普遍存在。Cu2(OH)3Cl存在于銅礦區(qū)及海洋環(huán)境中[6,7],以及古代繪畫和壁畫的銅綠顏料中[8,9]。此外,Cu2(OH)3Cl還可以作為生物體銅營養(yǎng)添加劑,在國內(nèi)外得到了廣泛重視和應(yīng)用[10]。由于Cu2(OH)3Cl的幾種同分異構(gòu)體具有不同的晶體結(jié)構(gòu),它們的振動光譜會存在差異。因此,利用靈敏、可靠并且無破壞性的拉曼光譜技術(shù),根據(jù)峰位及峰強(qiáng)等差異,可以鑒別Cu2(OH)3Cl的幾種同分異構(gòu)體,但相關(guān)的光譜研究目前尚未完善[11,12]。R.L. Frost以及李蔓等人還通過熱力學(xué)穩(wěn)定性分析,發(fā)現(xiàn)斜氯銅礦是最穩(wěn)定的相[12,13]。此外,clinoatacamite還是一種新的具有d電子自旋的幾何阻錯(cuò)系統(tǒng),體系可以呈現(xiàn)長程反鐵磁序與自旋漲落并存的狀態(tài),并表現(xiàn)出類似自旋玻璃態(tài)的行為[14]。

        本研究對斜氯銅礦(γ-Cu2(OH)3Cl)進(jìn)行深入的拉曼光譜分析和高壓下物相穩(wěn)定性研究,將物理光譜學(xué)與營養(yǎng)添加劑中的元素檢測相結(jié)合,對γ-Cu2(OH)3Cl在常壓和高壓下的內(nèi)部銅相關(guān)振動模式進(jìn)行了精確的指認(rèn)和詳細(xì)的分析,得到了其光譜性質(zhì)與晶體微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。這項(xiàng)工作為營養(yǎng)添加劑和礦物中銅元素的鑒定、以及文物的保護(hù)和修復(fù)提供更多的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

        2 實(shí)驗(yàn)方法

        2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

        利用顯微共焦拉曼光譜儀(Horiba Jobin Yvon)進(jìn)行拉曼光譜測量,選用波長為473 nm的激光作為激發(fā)光源,采譜波段范圍為50-1100 cm-1,采譜時(shí)間為60 s。選用1800 g·mm-1光柵,在常壓和高壓下均通過50倍物鏡聚焦激光光斑。利用金剛石對頂砧(Diamond anvil cell, DAC)裝置進(jìn)行高壓拉曼光譜測試,砧面尺寸為300 μm,以T301不銹鋼片作為密封墊,預(yù)壓厚度為40 μm,用激光切割得到一個(gè)直徑為138 μm的小孔作為樣品腔,采用紅寶石標(biāo)壓,未加傳壓介質(zhì)。

        2.2 實(shí)驗(yàn)試劑

        以三水合硝酸銅、六次甲基四胺、氫氧化鈉、鹽酸為原料,其中三水合硝酸銅、氫氧化鈉、鹽酸、六次甲基四胺的摩爾比為1∶2∶1∶0.15;另外需先用氫氧化鈉固體和濃鹽酸,分別配制濃度為0.4 M的氫氧化鈉溶液和1.2 M的鹽酸溶液。

        2.3 樣品制備

        首先取12.0 mL的氫氧化鈉溶液(c= 0.4 M),加入0.58 g (2.4 mmol)三水合硝酸銅,將混合物利用磁力攪拌10 min以使其混合均勻;然后在攪拌下快速加入2.0 mL的鹽酸溶液(c= 1.2 M),繼續(xù)攪拌5 min,再加入0.05 g (0.36 mmol) 六次甲基四胺固體粉末,繼續(xù)攪拌5 min,得到藍(lán)綠色混合物;將混合物轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中,以不銹鋼外殼密封釜襯并擰緊,在溫度為95 ℃下反應(yīng)5 h;反應(yīng)終止后,待反應(yīng)釜降至室溫后,離心產(chǎn)物得到固體沉淀;并將所得沉淀用去離子水洗滌三次以上,放入65 ℃烘箱中恒溫干燥3 h,得到綠色粉末狀樣品。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 常壓拉曼光譜研究

        拉曼散射光譜(Raman)是分子振動光譜,物質(zhì)晶格和成鍵的變化會導(dǎo)致特征光譜帶或峰的位置偏移。為了進(jìn)一步對羥基氯化銅的結(jié)構(gòu)特征和成鍵性質(zhì)進(jìn)行分析,我們首先對合成的γ-Cu2(OH)3Cl樣品進(jìn)行了常壓拉曼散射光譜測試,測試結(jié)果如圖1所示。

        圖1 γ-Cu2(OH)3Cl在室溫常壓下的拉曼散射光譜Fig.1 Raman scattering spectra of γ-Cu2(OH)3Cl at ambient conditions

        我們可以將測得的拉曼散射峰的頻率分配給銅-氧間化學(xué)鍵(Cu-O)相關(guān)模式、銅-氯間化學(xué)鍵(Cu-Cl)相關(guān)模式、晶格內(nèi)的振動模式以及其之間的相互作用[15]。

        (1)首先,我們將拉曼位移為972,928,896,868,801 cm-1處的峰指認(rèn)為Cu-OH的變形模式(δCu_OH)。

        這些可區(qū)分的峰意味著在γ-Cu2(OH)3Cl的晶體結(jié)構(gòu)中,存在著明顯不同的Cu-OH之間的化學(xué)配位環(huán)境。因?yàn)榕既缓啿⒑瓦_(dá)維多夫分裂的發(fā)生,導(dǎo)致對這個(gè)區(qū)域的精確賦值和指認(rèn)增加了額外的難度和復(fù)雜性。

        (2)在低頻區(qū),拉曼位移出現(xiàn)在576,512,444,420,365 cm-1處,我們將其分配給CuO伸縮振動,其中包括O-Cu-O的對稱伸縮模式(vsO-Cu-O)以及相應(yīng)的彎曲模式(δO-Cu-O)。在低頻區(qū)還觀察到兩個(gè)強(qiáng)拉曼光譜帶。142 cm-1處的拉曼峰可以分配給Cl-Cu-Cl對稱彎曲模式(vsCl-Cu-Cl),118 cm-1處出現(xiàn)的拉曼峰可以歸因于Cl-Cu-Cl的對稱伸縮振動模式(δCl-Cu-Cl)。

        實(shí)驗(yàn)測得的γ-Cu2(OH)3Cl的拉曼位移峰與已知的文獻(xiàn)報(bào)道相似,但并不是所有這些波段和峰的分配都彼此一致。晶體的振動譜可以采用不同的方法來解釋。上述設(shè)想還需要進(jìn)一步確認(rèn),特別是在低頻區(qū),因?yàn)榇瞬牧暇哂休^低的對稱性,由于分子在晶格中的平動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,在晶體狀態(tài)下獲得的部分光譜可能呈現(xiàn)晶格模式。

        3.2 高壓拉曼光譜研究

        壓力作為一種獨(dú)立于溫度和化學(xué)組分之外的熱力學(xué)參量,能夠有效縮短物質(zhì)內(nèi)部原子間的距離,調(diào)節(jié)電子自旋,進(jìn)而改變材料的晶體結(jié)構(gòu)、原子間的相互作用以及電子結(jié)構(gòu),甚至形成高壓新相。因此,高壓研究有可能為深入認(rèn)識γ-Cu2(OH)3Cl材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律提供一種新的途徑。我們測試了γ-Cu2(OH)3Cl的原位高壓拉曼光譜,進(jìn)一步分析了γ-Cu2(OH)3Cl的壓力效應(yīng),以跟蹤其拉曼振動模式隨壓力的變化。圖2分別展示了低頻區(qū)和中頻區(qū)的高壓拉曼散射光譜。

        圖2 γ-Cu2(OH)3Cl在(a)低頻區(qū)和(b)中頻區(qū)的高壓拉曼散射光譜Fig.2 Raman spectra of γ-Cu2(OH)3Cl at elevated pressures and room temperature. The spectra were in the regions of (a) low frequency and (b) medium frequency

        在常壓下能夠測得的γ-Cu2(OH)3Cl的大部分拉曼峰在加壓后仍然存在,但隨著壓力的增加,拉曼散射的信號逐漸減弱。當(dāng)施加的壓力達(dá)到17.8 GPa時(shí),幾乎所有的拉曼峰都變平或者消失,說明樣品開始出現(xiàn)非晶化。我們發(fā)現(xiàn)沒有新的拉曼峰出現(xiàn),說明樣品沒有發(fā)生明顯的一級結(jié)構(gòu)相變,因此在 0 ~ 17.8 GPa的壓力范圍內(nèi),γ-Cu2(OH)3Cl具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由圖2的高壓拉曼散射圖譜也可以看出,釋放壓力后,拉曼光譜恢復(fù)其初始模式,非晶樣品恢復(fù)到其原始狀態(tài),說明這些微妙的變化是可逆的。

        我們通過洛倫茲函數(shù)擬合,得到了在16.5 GPa之前不同壓力下的拉曼峰位,并繪制出加壓過程中的拉曼頻移圖,如圖3所示。根據(jù)常壓下拉曼模式的分配,對高壓下的拉曼峰位變化進(jìn)行分析。

        圖3 (a)低頻區(qū)和(b)中頻區(qū)拉曼頻率隨壓力變化圖譜Fig.3 Observed Raman frequency shifts as a function of pressure in the regions of (a) low frequency and (b) medium frequency

        首先,在低頻區(qū),拉曼模式隨壓力升高藍(lán)移,這部分的拉曼共振直接包含磁性離子Cu2+,其受磁性有序效應(yīng)的影響比較顯著。我們發(fā)現(xiàn)從5.5 GPa開始,在160 cm-1附近出現(xiàn)了一個(gè)新的模態(tài),這可能是由于在高壓下,原來簡并的晶格模式發(fā)生了劈裂。除此之外,在低頻區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)其他明顯的異常。

        在700~1000 cm-1范圍內(nèi),隨著壓力的增加,拉曼模式的頻率發(fā)生紅移。這種變化在這一范圍內(nèi)的不同能帶中是恒定的,并且拉曼峰位隨壓力的增加呈線性單調(diào)遞減。這種變化在700~1000 cm-1之間的不同能帶中是恒定的,并且拉曼峰位隨壓力的增加呈線性單調(diào)遞減。此區(qū)域是Cu-OH變形區(qū),受間接連接的磁性離子的影響相對較小,三聚氫鍵(OH)3…Cl[16]對羥基的振動模式起主導(dǎo)作用,氫鍵的變化可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中Cu-OH鍵的增強(qiáng),以及結(jié)構(gòu)對稱性的增強(qiáng)。單斜結(jié)構(gòu)的γ-Cu2(OH)3Cl中的籠目晶格是扭曲的,原子位點(diǎn)不相等,Cu-O鍵長和Cu-O-Cu鍵角各不相同。結(jié)構(gòu)中的氫鍵強(qiáng)度和構(gòu)型可能會隨著壓力發(fā)生改變,進(jìn)而影響到其他原子的相互作用和空間分布。

        4 結(jié)論

        我們通過水熱法制備了γ-Cu2(OH)3Cl樣品(又稱斜氯銅礦,clinoatacamite),進(jìn)行了常壓拉曼光譜測試,對各個(gè)波段的譜帶進(jìn)行了詳細(xì)的歸因和劃分。此外,我們還進(jìn)行了原位高壓拉曼散射光譜研究,施加的最高壓力為17.8 GPa,并分析了拉曼振動模式隨壓力變化的現(xiàn)象,并且卸壓后樣品恢復(fù)其初始結(jié)構(gòu)。因此,本文的研究為營養(yǎng)添加劑和礦物中銅元素的鑒定、文物的保護(hù)和修復(fù)提供了必要的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

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