氢化碳纳米球的合成、电化学性质研究及玻璃碳球的高压相变

【摘要】本论文主要研究了两种结构和尺寸各异的球形碳材料。主要研究内容包括：(1)一种新型氢化碳纳米球材料的合成及其电化学性能研究；(2)无定形玻璃碳微米球的高压相变及其力学性能研究。本论文第一部分研究内容为氢化碳纳米球的合成及表征。我们选取三氯甲烷为碳源物质，金属钾为还原剂，利用三氯甲烷中C-Cl键之间的键能(327kJ/mol)明显低于C-H键的键能(411kJ/mol)这一特点，在低温溶剂热反应的条件下，利用金属钾较强的还原性，可以选择性的使能量较低的C-Cl键断裂，而保留C-H键；在反应中，通过一系列脱氯和成键过程，可以形成氢化的碳团簇，碳团簇之间进一步团聚成键和重构形成纳米尺寸的氢化碳球结构（反应示意图如图1）。我们对所合成的氢化碳纳米球进行了详细的结构表征及电化学性能测试。透射电子显微镜观察表明所合成的样品为实心球状结构，粒径分布在40-90nm之间，平均尺寸为70nm。样品的比表面积为43m2/g，材料中包含有少量的中孔和大孔结构。拉曼光谱、红外光谱及X射线光电子衍射谱表明材料氢化程度很高，存在较高比例的sp3C-H基团。电化学测试中表明合成的氢化碳纳米球具有良好的充放电性能，以其作为负极材料制成的锂离子电池在经过50个循环以后，比容量依然可以维持在978mAh/g（第一个循环时，其比容量高达3539mAh/g），表明材料具有优异的循环稳定性。进一步分析表明，氢化碳纳米球表现出这样极高的比容量主要得益于材料的高氢化率、较小的纳米尺寸以及结构中存在较多缺陷(结晶性低)，利于锂离子的存储和释放。因此，这种结构独特的氢化碳纳米球有望作为高性能锂离子电池的负极材料，具有潜在的重要应用前景。第二部分为玻璃碳微米球的高压相变和屈服强度研究。在室温条件下，利用金刚石对顶砧技术产生高压，采用原位高压拉曼光谱作为表征手段，研究了不同尺寸玻璃碳微米球的高压相变过程和屈服强度随压力的变化。实验中选用两个不同尺寸的玻璃碳球进行对比实验，其中大球直径在30-40um之间，小球直径为20um以下。最高压力为62GPa。实验过程中，大玻璃碳球在25-30GPa左右开始与金刚石上下砧面同时接触，实际接触压力与所用碳球尺寸相关；接触后，金刚石两砧面可对其直接挤压，因此碳球受到压力和应力的共同作用。在压力高于33GPa时，大碳球开始转变成一种新的透明碳相。分析其光谱变化可知，该转变与碳球的成键状态转变相关，发生了由sp2杂化向sp3杂化的转变，同时碳球的硬度显著提高，在压腔内标定压力为62GPa时，分析金刚石对顶砧相应位置的拉曼峰位可以发现，玻璃碳球的屈服强度可高达120GPa，接近于金刚石。值得注意的是，玻璃碳球的相变压力和硬度转变与其尺寸密切相关，小尺寸的碳球并未发生明显转变，这可能与不同尺寸玻璃碳球所受到的压力/应力等实验参数不同有关。
【作者】肖俊平；
【导师】姚明光；
【作者基本信息】吉林大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】氢化碳纳米球；电化学性能；玻璃碳；高压拉曼；相变；超硬碳；

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