耐蚀导电掺铬类金刚石的团簇加连接原子模型及成分式

摘要

常见的双极板（金属、石墨和复合双极板）均无法同时兼顾高强、导电、耐蚀、阻气和低成本等特点，开发耐蚀导电的双极板表面改性材料对质子交换燃料电池的发展意义重大。前人指出，掺铬类金刚石涂层（Cr-DLC）有望成为清洁能源双极板表面改性的优选材料，但Cr-DLC涂层的耐蚀性能和导电性能往往顾此失彼，研究者们始终无法建立Cr-DLC涂层结构-成分-性能的关联及模型，更无法定量回答Cr元素的最优添加量问题。本文工作中，我们首先基于团簇加连接原子模型建立了Cr-DLC的稳定非晶结构模型，定量推导出了其最佳成分式；其次，结合实验结果及逾渗模型，揭示了团簇成分式下Cr-DLC涂层的耐蚀导电机理；最后，本文将团簇加连接原子模型引入到Cr-C体系，成功解析了Cr-C体系的共晶成分。本文工作为优化耐蚀导电Cr-DLC涂层材料打下基础，验证了团簇加连接原子模型在耐蚀导电Cr-DLC涂层成分设计中的有效性和在共晶成分解析中的普适性。具体如下： 1）建立了Cr-DLC的稳定非晶结构模型；掺杂的Cr原子不仅会在非晶碳网络中形成局域结构，而且对sp2杂化键的形成具有催化作用。sp2杂化键含量的提高恰恰可为Cr-DLC涂层导电能力的提升作出贡献，故而Cr-DLC涂层的成分-结构-性能之间必然存在着定量化的关联。从原子局域排布的角度，团簇加连接原子模型根据Cr原子的配位情况，获得了描述Cr-DLC涂层结构特征的第一近邻配位多面体团簇[Cr-C4]。 2）推导出了耐蚀导电Cr-DLC涂层的最佳成分式；根据团簇加连接原子模型，Cr-DLC涂层的团簇成分式可由团簇[Cr-C4]搭配上若干个连接原子构成，从而建立Cr-DLC涂层的稳定结构及其成分之间的定量关系。这里，我们考虑电子轨道饱和原则，构建出了Cr-DLC涂层的局域结构团簇成分式[Cr-C4]CrC3与[Cr-C4]Cr3C2，对应的Cr元素掺杂含量分别为22.22at.％及40.00at.％。 3）揭示了Cr-DLC涂层的耐蚀导电机理；理想的稳定团簇成分式必然对应着Cr-DLC材料的优良的化学稳定性以及导电性能。基于此，我们首先实验验证了团簇成分式（[Cr-C4]CrC3与[Cr-C4]Cr3C2）对应的Cr-DLC涂层具备突出的耐蚀及导电性能；紧接着，结合实验结果及逾渗模型，揭示了Cr-DLC涂层的耐蚀导电机理，即在非晶碳网络中形成了键逾渗和座逾渗导电通路。 4）解析了Cr-C体系的共晶成分；基于前期的研究成果，共晶合金是由两种稳定熔体构成，每种稳定熔体的结构单元均可表示成形如“[团簇](连接原子)x”的团簇成分式，这里，第一近邻配位多面体团簇选自相关的共晶相中。本文遵循Friedel振荡理论及原子密堆原则，以团簇分布的球周期性及孤立度为判据，获得了共晶相Cr、Cr23C6、Cr7C3和Cr3C2的主团簇分别为[Cr-Cr14]、[C-Cr9]、[C-Cr9]及[C-Cr8]，再搭配2、4或6个连接原子，精确解析了Cr-C体系的共晶成分Cr86C14≈[Cr-Cr14+C-Cr9]CrC3和Cr67.4C32.6≈[C-Cr9+C-Cr8]C6。

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