无机氮化物、碳化物纳米材料的化学合成

摘要

氮化硼与碳的晶体结构很相似。自从碳纳米管及富勒烯结构的发现以来，合成BN纳米管及富勒烯结构引起人们的极大兴趣。过渡金属氮化物、碳化物集合了陶瓷和金属的性质，是一类非常富有潜力的耐高温结构材料、电子材料和催化材料。在对氮化硼纳米管和富勒烯结构以及过渡金属氮化物和碳化物的合成、应用等方面的发展现状进行调研的基础上，本论文采用单源前驱物溶剂热解法成功地合成了BN纳米笼、VN和TiN纳米晶；采用金属钠溶剂热还原碳化法合成了Mo2C和ZrC纳米晶。此外，采用熔融盐溶剂热合成方法成功制备了Mn5Si3纳米笼及竹节状纳米管特殊纳米结构；采用前驱物模板热分解方法制备了Mn2O3纳米晶多孔空心球有序纳米结构。论文中取得了一些创新性的成果。 1.以金属钠为溶剂，首次在高压反应釜中于400-600℃热分解单一前驱物NH4BF4直接合成了新颖的盒状氮化硼纳米笼。笼的尺寸在20-200nm之间，笼壁是由12-16层的多层壁组成，壁厚在4-10nm之间。利用XRD、XPS、FT-IR、TEM和HRTEM等分析测试手段对样品进行了分析表征，并探讨了氮化硼盒状纳米笼结构的生长机理。研究表明，所合成的氮化硼样品具有很好的荧光发光性质和高温抗氧化性。 2.设计了新颖的单一前驱物溶剂热分解与氮化反应，在较温和的条件下分别制备出纯相的VN和TiN纳米晶。以金属钠为溶剂，在高压反应釜中于600℃热分解NH4VO3直接合成了粒径为50-150nm的VN纳米晶。类似地以金属钠为溶剂，在高压反应釜中于650℃热分解NH4TiF4直接合成了粒径为30-100nm的TiN纳米晶。 3.采用金属氯化物的钠溶剂热还原碳化法成功制备了ZrC与Mo2C纳米晶体。通过无水ZrCl4、Na和碳纳米管之间的反应制备了ZrC纳米晶体，粒子的平均尺寸约为30-50nm。在碳纳米管的模板作用下样品中同时存在部分ZrC纳米棒，ZrC纳米棒直径为30nm左右，长度达几微米，与原料碳纳米管的尺寸接近。以MoCl5和C(石墨或碳纳米管)为原料，在金属钠溶剂中于500℃反应合成了Mo2C纳米晶。当以微米尺寸的片状石墨为碳源时，得到晶粒尺寸为30-100nm的Mo2C纳米晶。而以碳纳米管为碳源时，所合成的Mo2C纳米晶尺寸为20-50nm。实验表明所用碳原料对产物的晶粒尺寸和比表面积有较大的影响。 4.采用Mg2Si与MnCl2熔融盐溶剂热合成反应于650℃首次成功地制备了Mn5Si3纳米笼及竹节状纳米管特殊纳米结构；采用MnCO3微球前驱物模板热分解方法成功地制备了Mn2O3纳米晶多孔空心球有序纳米结构。根据实验分析结果讨论了这些特殊纳米结构可能的生长机理。

目录

文摘

英文文摘

第一章无机氮化物、碳化物纳米材料研究进展概述

§1.1引言

§1.2氮化硼纳米管及富勒烯结构的研究进展

§1.3过渡金属氮化物、碳化物研究进展概述

§1.4无机固体纳米材料的常用分析表征手段

§1.5小结与展望

参考文献

第二章溶剂热分解Nh4BF4制备氮化硼纳米笼

§2.1引言

§2.2实验过程与表征方法

§2.3实验结果与讨论

§2.4结论

参考文献

第三章VN和TiN纳米晶的溶剂热合成

§3.1 VN纳米晶合成

§3.1.1引言

§3.1.2实验过程与表征方法

§3.1.3实验结果与讨论

§3.1.4结论

§3.2 TiN纳米晶合成

§3.2.1引言

§3.2.2实验过程与表征方法

§3.2.3实验结果与讨论

§3.2.4结论

参考文献

第四章Mo2C和ZrC纳米晶的化学合成

§4.1 ZrC纳米晶合成

§4.1.1引言

§4.1.2实验过程与表征方法

§4.1.3实验结果与讨论

§4.1.4结论

§4.2 Mo2C纳米晶合成

§4.2.1引言

§4.2.2实验过程与表征方法

§4.2.3实验结果与讨论

§4.2.4结论

参考文献

第五章Mn5Si3和Mn2O3特殊纳米结构的合成

§5.1 Mn5Si3纳米笼与纳米管的熔盐溶剂热合成

§5.1.1引言

§5.1.2实验过程与表征方法

§5.1.3实验结果与讨论

§5.1.4结论

§5.2 Mn2O3纳米晶多孔空心球的制备

§5.2.1引言

§5.2.2实验过程与表征方法

§5.2.3实验结果与讨论

§5.2.4结论

参考文献

附录：攻读博士学位期间完成的论文

致谢