氮化硼纳米管及其限域C60的高压研究

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氮化硼纳米管作为一维纳米材料的典型代表,其一维纳米孔道为研究限域体系结构提供了理想的模板,使受限材料展现出新的结构和性质。高压可以通过改变分子距离,影响成键进而改变结构性质。将高压手段和限域结构结合,为探索材料的新相转变和新结构提供了全新的研究思路。本文利用高压原位拉曼光谱、红外光谱、XRD衍射等技术,对比研究了氮化硼纳米管和C60填充的氮化硼纳米管两种材料,揭示了氮化硼纳米管压致相变规律,并研究了在限域C60的情况下氮化硼纳米管的相变规律与未填充C60氮化硼管的区别。同时利用高压原位拉曼技术对限域于氮化硼纳米管中的C60分子进行研究,讨论了受限后的分子聚合行为及其对BN纳米管结构相变的影响。得到以下结论:1、利用高压原位红外光谱技术和高压原位拉曼光谱技术研究了氮化硼纳米管随着压力的变化规律,压力最高达到36GPa。研究发现,在压力达到19GPa左右时初始为六方结构氮化硼转变成了纤锌矿结构。而填充了C60的氮化硼纳米管则在13GPa左右就形成纤锌矿结构,因为其内部存在着C60分子,使其会受到来自垂直于管径外和管径内压力同时作用,因此在更低压力下就发生sp3键转变和结构相变,最终加压到36GPa,此时六方到纤锌矿结构的相变依旧是不完全的。卸压之后,氮化硼纳米管的纤锌矿结构没能得到保存,而限域结构由于内部存在C60分子使得其六方结构转变纤锌矿结构更加完全,卸压后能够得到保存,是六方相和纤锌矿结构的混相。2、利用高压原位XRD光谱,研究了氮化硼纳米管在高压下的结构相变规律。用液氩作为传压介质,最高压力达到90GPa,常压下可以看到氮化硼纳米管六方结构的(002)衍射峰;在加压的过程中,氮化硼纳米管在19GPa处出现了纤锌矿结构的(002)和(100)衍射峰,表明材料发生了向纤锌矿结构的转变,在加压到90GPa的过程中,没有二次相变,一直保持六方相和纤锌矿结构的混相。卸压后,这种六方相和纤锌矿的混相能够得到保存。说明在更高的压力下,氮化硼纳米管中形成的纤锌矿结构能够得以保存。3、利用高压原位拉曼光谱,研究了限域于氮化硼纳米管内C60的压致聚合行为。用液氩作为传压介质,最高压力达到40GPa。研究发现在升压过程中不同于其体材料的是即使在压力达到40GPa以上时,C60的峰仍能被观测到,说明C60分子在这种限域结构中更加稳定,碳笼结构在高压下还可以稳定存在。而且分别加压到20GPa、25GPa、30Gpa后卸压到常压,发现C60会形成一维链状聚合的O相结构,说明在这种结构中C60分子受到氮化硼纳米管的限域和保护作用形成聚合结构,并且形成的新相可以成功保留至常压。
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