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一维纳米硼化合物和亚稳固溶体的制备与结构研究

张弜  
【摘要】:单质硼及其化合物具有复杂多变的结构和许多重要的用途,是一个可以与碳及其化合物媲美的研究领域。自从1991年日本研究员Iijima发现了碳纳米管后,与硼相关的一维纳米材料,如氮化硼纳米管、硼纳米丝、硼酸盐纳米管等,也引起了科学家极大的兴趣。亚稳材料是当前材料科学研究的另一个热点,但金属与硼之间平衡态下互不相溶体系中形成的亚稳固溶体却很少有研究报道。本论文围绕元素硼在一维纳米材料和亚稳固溶体两方面开展了一系列探索,研究了制备氮化硼纳米管和硼酸镁纳米带两种一维纳米材料的方法、工艺和生长机理;制备了Ag-B和Cu-B亚稳固溶体。取得以下创新性的研究成果: 1.采用高纯晶态B粉为硼源,NiO、Co_3O_4、V_2O_5、Y_2O_3和La_2O_3等金属氧化物粉末为催化剂,与NH_3在高温下反应制备了BN纳米管,此外还得到BN纳米笼、纳米丝等产物。研究表明,不同的催化剂得到不同结构的产物。其中La_2O_3的催化效果最好,纳米管和纳米笼的产量可以分别达到50%和60%。分析表明,产物中BN纳米管的生长可以归结为VLS(vapor-liquid-solid)或SLS(solid-liquid-solid)生长机理。 2.提出一种氧化硅辅助生长BN纳米管的新方法.实验结果表明,不同的反应过程分别得到了圆筒状(cylinder-like)纳米管和竹节状(bamboo-like)BN纳米管,纳米管的生长可以分别用氧化物辅助生长机理和VLS或SLS机理来解释。在部分竹节状BN纳米管的“节点”中发现了Si纳米颗粒,针对这种结构提出了一种毛细管作用的生长模型。 3.采用电弧放电法在六方BN(硼源)与金属Fe、CO、Ni(催化剂)以及B(硼源)和金属氧化物Fe_2O_3、CO_3O_4、NiO(催化剂)两个体系中制备了BN纳米管。 4.用硼酸和尿素分别作为B和N源,金属硝酸盐作为催化剂先驱体,在大气环境中制备了BN纳米管。反应温度可以低到1000℃。实验结果表明,硝酸铁是理想的催化剂先驱体。透射电镜(TEM)观察表明BN纳米管结构完整,螺旋度是近似锯齿型的。产物中还发现了Y-junction的BN纳米管。相对较低的反应温度与反应先驱体粉末充分混合而导致的动力学有利因素及氧对BN结晶的促进作用有关。 5.在含有水汽的Ar气氛中,加热B和纳米MgO的混合粉末到1100℃,得到了单晶Mg_3B_2O_6纳米带,这一结构目前尚未见报道。高分辨透射电镜(HRTEM)和选区 一维纳米硼化合物和亚稳固溶体的制备与结构研究 电子衍射(SAED)分析表明,纳米带是结晶完整的单晶结构,生长方向接近[0 101方向。 6.利用机械合金化法制备了Ag一B和cu-B亚稳固溶体。研究了球磨过程中固溶体 的结构变化,Ag一B亚稳固溶体的磁性和热稳定性。透射电镜(TEM)观察和差示扫描 量热(Dsc)分析表明,球磨制备的产物是一种亚稳结构。对于组成为AgB:的亚稳固 溶体的低温磁性测试表明球磨的产物是反铁磁性的。


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