碳、碳化硅及過渡金屬碳化物的制備.pdf

1、碳、碳化硅及過渡金屬碳化物等含碳材料一直是材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在吸附分離、電極材料、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、超硬耐磨材料等諸多領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。本論文以此為研究對象，在對上述含碳材料的制備、應(yīng)用等方面的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，遵循自下而上的納米材料合成方法，探索了簡單易行、無毒環(huán)保且經(jīng)濟(jì)高效的制備策略，分別合成了碳化硅及過渡金屬碳化物納米材料、蜂窩狀石墨化大孔碳材料及類石墨烯狀碳薄膜等具有較高實(shí)用價值的納米材料，在含碳材料的低溫化

2、制備等方面取得了較大的突破，主要工作內(nèi)容概括如下:
　　 1.采用高壓釜技術(shù)，以硅粉為硅源，葡萄糖或麥芽糖為碳源，鎂粉為還原劑，在120℃時碘存在的條件下成功制備出3C-SiC納米結(jié)構(gòu)。產(chǎn)物為線狀(＞70％)和塔狀碳化硅的混合納米結(jié)構(gòu)。TEM表明線狀納米結(jié)構(gòu)是由平均直徑約為60 nm的碳化硅三角納米片采取斜靠式相疊而成的，直徑大約為25～100 nm，長度約為幾十微米，并呈現(xiàn)Z字形排列，而塔狀納米結(jié)構(gòu)是由平均直徑約為750nm的

3、碳化硅納米片以水平壘疊的方式形成的，呈現(xiàn)梯田狀的邊緣形狀，從底部到頂端尺寸逐漸縮小，分析表明這些塔狀結(jié)構(gòu)為層狀分布，單層的厚度約為40 nm。兩種納米結(jié)構(gòu)的堆疊方向均為[111]方向。本路線中碘的加入大大降低了合成體系的溫度，起到了類似化學(xué)氣相反應(yīng)中傳輸劑的作用。此路線為制備3C-SiC納米結(jié)構(gòu)提供了一條經(jīng)濟(jì)有效且相對溫和的合成方法，相比傳統(tǒng)高溫制備方法體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。受此啟發(fā)，我們將此合成路線擴(kuò)展到過渡金屬碳化物的合成體系中，采取相

4、應(yīng)的金屬氧化物作為金屬源，成功合成了一系列碳化物材料(VC，WC，NbC，TiC)，所合成材料具有較高的純度，為碳化物材料的合成提供了新途徑。
　　 2.通過簡單的溶劑熱方法，利用鎂粉、乙醇鎂和乙二醇的一步反應(yīng)，在600℃下制備了較為規(guī)則的蜂窩狀石墨化大孔碳材料，孔徑約為500-800nm，孔洞的平均壁厚約為5nm，SEM照片顯示出內(nèi)部連通的孔道，并有部分孔洞出現(xiàn)坍塌。測試表明所制備的大孔碳材料比表面積達(dá)到54.3 m2/g。通

5、過對粗產(chǎn)物的詳細(xì)表征我們推斷反應(yīng)中原位產(chǎn)生的MgO或MgC03顆粒對大孔碳材料的形成起到了模板的作用。此合成方法簡單易行，利于大規(guī)模制備，為多孔碳材料的工業(yè)化合成提供了新途徑。同時，本路線在較低溫度下實(shí)現(xiàn)了大孔碳材料的石墨化，對于碳材料的石墨化機(jī)理研究具有一定借鑒意義。同時，所制備的大孔碳材料表現(xiàn)出對剛果紅的強(qiáng)勁吸附能力，顯示出其在水處理領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景。
　　 3.以金屬鎂為還原劑，利用六次甲基四胺的水熱裂解反應(yīng)，在500℃

6、下制備了類石墨烯狀碳薄膜材料，其厚度僅為約4nm。分析表明在反應(yīng)過程中自發(fā)生成的氧化鎂起到了原位自生模板的作用。同時，我們測試了類石墨烯狀碳薄膜材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能。實(shí)驗結(jié)果表明，其首次放電比容量達(dá)到了1417mAh/g，但首次充電比容量僅為966mAh/g，首次充放電效率為68％，隨著SEI膜的逐步形成和穩(wěn)定，從第二圈以后充放電曲線幾乎一致，充放電效率迅速升高，經(jīng)過4次充放電循環(huán)后，充放電效率穩(wěn)定在95％以上，經(jīng)過6