碳洋葱的爆轰合成研究

发布时间：2020-11-13 07:47

　　 碳材料是一种非常常见的材料,广泛存在于生活的方方面面,也是人类发展的重要组成部分。碳材料有很多同素异形体,包括石墨、钻石、活性炭等较早被广泛应用的碳材料,还包括之后发现并应用的富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。利用爆轰产生的瞬间高温、高压来合成新材料是当前国际上一个前沿的研究课题。本论文对爆轰合成碳洋葱进行了系统深入的研究。以葡萄糖为碳源,用炸药黑索金来提供能量,通过爆轰法来探究合成碳洋葱的条件。探究了实验沉积基底、炸药的用量和不同有机碳源的影响。结果表明,实验过程中的沉积基底是反应釜的器壁,外加的沉积基底对样品的形貌影响较小;炸药量较多或较少都不利于石墨结构的形成;不同有机碳源的碳链长度对产物的影响较大。以硬脂酸为碳源,用炸药黑索金来提供能量,通过爆轰法成功制备了碳洋葱。对合成的碳洋葱进行SEM、TEM、Raman、IR、XRD、XPS等表征测试,结果表明得到的碳洋葱与通过其他非爆轰的方法得到的碳洋葱结构、组成相同,而且在碳洋葱的合成过程,同时完成了氮元素的掺杂。在实验过程中,探索了碳洋葱结构的合成机理。当有机物碳链长度较短时,得到的产物结构中有一定的片层结构存在。炸药用来提供能量,为反应提供高温高压的环境。炸药量的多少也是影响碳洋葱合成的重要因素。炸药过多或者过少都不利于碳洋葱结构的生成;探索了实验过程中,碳洋葱结构中碳元素的来源,结果表明,有机物特别是长碳链有机物才是生成碳洋葱结构的关键,无论是贫碳炸药还是富碳炸药都无法单独形成碳洋葱结构。探索了整个实验过程的反应机理。有机物在炸药爆轰的条件下断裂官能团形成碳原子数不同的碳链,碳链在降温过程中聚集形成片状结构,短碳链有机物聚集的片状结构尺寸较小,在降温过程中结构被保留下来形成石墨;只有一个碳原子的尿素在降温过程中因碳元素含量不高,形成的片层结构不完整,在降温过程中不足以形成完整的石墨结构;长碳链有机物聚集的片状结构尺寸较大,自由能较高,在降温过程发生卷曲团聚,最终形成碳洋葱结构。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TQ560.1;TQ127.11
【部分图文】：

轰产生的瞬间高温、高压来合成新材料是当前国际素也是一种非常常见的元素，广泛存在于大气、地壳成的一系列化合物形成了多姿多彩的生命体。碳原子结合而形成各种化合物，在生活的方方面面有着很已知的自然界硬度最高的单质材料，是工业中切割用值的观赏宝石。石墨是良好的电导体，可以用来制坩埚、电极、干电池、铅笔芯等，高纯度石墨可在核是一种含碳量在 95%以上的高强度、高模量的新型道显微镜的成功发明，纳米材料的研究得以飞速开碳纳米管、纳米金刚石等纳米碳材料以其优异的电学渐成为科学工作者的研究热点，备受材料、物理、化几种主要碳的同素异形体分子结构示意图。

图 1.2 石墨烯和其他材料的性能对比[28]单层石墨烯可以吸收大约 2.3%的可见光，并且透光率不会随着光波长的改变而改变。研究发现 1~5 层的石墨烯对白光的吸收率和石墨烯层数之间存在线性关系[29]。陈英良等利用紧束缚模型分别描述了单层、双层石墨烯的能带结构，并计算出单层石墨烯的单光子吸收系数为常数大小约为 6.8×107m 1；双层石墨烯的单光子吸收比单层石墨烯的单光子吸收强，且随入射光波长呈分段性变化，当波长大于 3100nm，吸收系数为常数，约为 2.1×108m 1，比单层石墨烯的吸收系数高一个数量级[30]。Bunch 等通过研究证明单层石墨烯对标准气体（包括氦气）具有完全不渗透性[31]。此外，石墨烯是一种开放式结构，可以通过化学反应在石墨烯骨架上引入官能团，因此石墨烯极易被修饰，如光化学修饰[32]、表面化学修饰[33]等。1.4.2 石墨烯的合成由于石墨烯具有如此优异的性质，越来越多的科学工作者参与到石墨烯的合成和

北京理工大学硕士学位论文并原位掺杂得到氮掺杂石墨烯。研究表明，爆炸条件了仅有几个原子层厚度的石墨烯，与此同时，氧化石脱除，氮元素也成功进入石墨烯的晶格中，掺杂氮的in 等以碳酸钙和镁粉为原料，硝基甲烷为炸药，通过研究表明，在实验过程中，加入硝酸铵，氮掺杂石墨。实验装置如图 1.3 所示[50]：
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