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《燕山大学》 2018年
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石墨相氮化碳及其衍生物的结构表征与高压稳定性研究

袁晓红  
【摘要】:石墨相氮化碳(g–CN)被认为是合成高密度超硬碳氮材料最为合适的前驱物,它在光催化领域所表现出的优异性能也受到了广泛的关注。然而g–CN的结构复杂,其性能随制备条件的不同而变化明显;本论文采用X射线衍射与红外光谱相结合的方法对g–CN及其衍生物的结构进行表征,并利用基于团簇模型的理论方法对产物的红外光谱进行了详细的模拟与解析。在此基础上探讨了聚合方式对g–CN结构和成分的影响,研究了基于三嗪环结构单元的产物在高压下的稳定性。以最基本的、基于三嗪环结构单元的三聚氰胺分子晶体为出发点,利用Material Studio(MS)软件中的DMol~3量子化学模块对其晶体结构进行了优化;通过Reflex模块对优化后结构的X射线衍射谱进行了模拟并与实验结果进行了对比。在此基础上构建了具有一定普适性的团簇模型,利用基于量子化学的Gaussian软件包对其红外光谱进行了模拟;并根据计算所得的势能分布(PED),对三聚氰胺晶体的红外振动模式进行了详细、准确的解析。通过热解三聚氰胺制备了melam、melem和g–CN三种不同结构的样品,对它们的晶体结构进行了表征。利用上一章中提出的团簇模型分别对三种结构的红外光谱进行了模拟,成功地解释了它们各自的特征红外振动模式。重点分析讨论了氢键环境对它们的红外光谱中相应振动模式的影响,为g–CN及其衍生物的结构、尤其是分子间的相互作用提供了重要的补充信息。给出了基于庚嗪环结构单元的g–CN红外光谱的详细解析结果,为准确判定产物的结构和价键特性提供了一种重要的手段。计算了不同的聚合方式下g–CN的成分与聚合度之间的关系,从而建立了通过产物的成分对g–CN结构及聚合方式进行分析的方法。在不同温度条件下通过热解三聚氰胺制备了一系列基于庚嗪环结构单元的g–CN样品,深入分析讨论了样品成分、结构有序性、聚合方式及其平均聚合度等方面的变化规律,探究了不同g–CN样品可能含有的聚合物组分,并对其结构提出了更为深入的理解。基于三嗪环结构的前驱物更有利于高密度超硬相碳氮材料的合成。利用多次热解三聚氰胺的方法合成了基于三嗪环单元的melam产物,在5 GPa、不同的温度条件下对样品进行了处理,研究结果表明在高压下样品的结构稳定性得到了明显提高;残留在样品中的三聚氰胺发生了进一步聚合,从而有效地提高了melam样品的纯度。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ127.16

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