金刚石及类金刚石材料的常温常压电化学合成

摘要

由于具有高透光度，高折射系数，高硬度等优良的性能，金刚石、类金刚石及其薄膜在许多领域具有重要应用，是材料领域持续的研究热点。金刚石、类金刚石及其薄膜的制备一直备受人们关注。本文首先综述了金刚石和类金刚石材料的制备方法，着重叙述了有机液体电沉积金刚石和类金刚石材料的研究进展。 本文首先对CCl4-离子液体（[BMIM]BF4）体系进行了进一步研究，通过增加第三种溶剂和超声波辅助反应这两种方法对反应体系进行了改进，以提高体系的电流利用率，缩短反应时间。分别研究了乙腈（AN）-[BMIM]BF4-CCl4体系和[BMIM]BF4-CCl4超声波辅助反应体系。采用X射线粉末衍射（XRD）和Raman光谱等方法对沉积产物进行表征，结果表明均未得到金刚石和类金刚石结构的产物。可能第三种溶剂的加入使体系的反应机理变得更加复杂，对产物的生成产生了不利的影响。 分别以CCl4，CHCl3，CH3OH为碳源，研究了低电压还原沉积金刚石及类金刚石物质的可行性。采用三电极体系，使用恒电压或恒电流沉积的方法，以镍-钴合金片作为工作电极和沉积基底，研究了CCl4-四丁基氯化铵（TBAC）-1，2-碳酸丙二醇酯（PC）体系，CHCl3-TBAC-PC体系，以及（CCl4+CHCl3）-TBAC-PC体系。研究表明CHCl3-TBAC-PC体系恒电压沉积得到的产物硬度较大。Raman光谱在990 cm-1，1100 cm-1，1290cm-1，1580cm-1左右出现四个宽峰，证实产物具有类金刚石结构。采用恒电流沉积对该体系进一步研究，Raman光谱和X射线光电子能谱（XPS）均表明产物具有类金刚石结构，根据产物中sp3碳的含量，可分为a-C：H和ta-C：H两种不同形式。其中以恒电流0.1 mA·cm-2沉积的产物为a-C：H形式的类金刚石物质，以恒电流1 mA·cm－2沉积的产物为ta-C：H形式的类金刚石碳膜。在CCl4-TBAB-PC体系和（CCl4+CHCl3）-TBAC-PC体系中则没有得到满意的结果，产物多为无定形的物质和一些高聚物。 采用两电极体系，使用传统的直流电沉积方法，研究了CH3OH-TBAC体系，CHCl3-TBAC体系和CCl4-TBAC体系。在CH3OH-TBAC体系中，采用ITO玻璃电极作为阴极和沉积基底，沉积得到黑褐色的碳膜。Raman光谱在1350 cm-1和1550 cm-1左右出现的宽峰证实产物为类金刚石结构的碳膜。而在CHCl3-TBAC体系和CCl4-TBAC体系中采用Ni-Co合金片作为阴极电极则没有得到目标产物，其中CHCl3-TBAC体系产物为无定形的物质和一些高聚物。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章金刚石合成的研究进展

1.1金刚石合成进展

1.2有机液体电沉积金刚石的研究进展

1.2.1高压直流电解法

1.2.2脉冲调制电源(pulse-modulated source)电解法

1.2.3低电压氧化沉积法

1.2.4低电压还原沉积法

1.2.5有机液体电沉积金刚石材料的机理

1.2.6存在问题与研究展望

1.3课题研究的目的与意义

参考文献

第二章实验部分

2.1仪器与试剂

2.2实验方法

参考文献

第三章结果与讨论

3.1四氯化碳为碳源常温常压下电化学还原制备金刚石

3.1.1离子液体与乙腈混合溶液中金刚石及类金刚石的合成

3.1.2离子液体([BMIM]BF4)中超声波辅助反应

3.1.3碳酸丙二醇酯(PC)溶液中的金刚石合成

3.2氯仿为碳源在丙二醇酯溶液中常温常压电化学还原制金刚石

3.2.1恒电压沉积

3.2.2恒电流沉积

3.3四氯化碳-氯仿混合碳源电化学还原制备金刚石及类金刚石材料

3.3.1结果分析

3.3.2结论

3.4以甲醇为碳源沉积金刚石及类金刚石薄膜

3.4.1甲醇-四丁基氯化铵体系

3.4.2甲醇-去离子水体系

3.5以氯仿和四氯化碳为碳源两电极体系沉积金刚石及类金刚石

3.5.1在氯仿-四丁基氯化铵体系中沉积

3.5.2在氯仿-四丁基氯化铵-无水三氯化铝体系中沉积

3.5.3四氯化碳-四丁基氯化铵体系中沉积

参考文献

第四章结论

致谢