碳的相结构和含氧官能团对金刚石粉体氧化特性的影响

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本文为了探究金刚石的氧化活性位,研究了碳的相结构和含氧官能团对金刚石粉体氧化特性的影响。研究了30 nm-50μm不同粒度金刚石粉体的起始氧化温度、宏观氧化动力学参数、程序热脱附谱等氧化特征;比较了微米和纳米金刚石原料及氧化前后金刚石粉体表面碳的相结构和含氧官能团等表面结构的变化;分别在Ar和Ar-H2气氛中对金刚石粉体进行550℃的热处理,以改变其表面的碳结构和含氧官能团,并测试了表面改性后的金刚石粉体氧化特性参数。研究结果表明:(1)金刚石粉体的起始氧化温度、活化能和CO2的解吸温度随粒度的减小而降低:例如粒度为30 nm和0.25μm的金刚石粉体的起始氧化温度分别为520℃和592℃,活化能分别为100.93 kJ/mol和234.04 kJ/mol,CO2的解吸温度分别为578℃和750℃。(2)与微米金刚石粉体相比,纳米金刚石粉体表面有更多的sp~2杂化碳和含氧官能团,碳氧官能团主要包括C-OH、C-O-C和C=O。纳米金刚石粉体氧化后表面的sp~2杂化碳都会增加,说明氧化过程中会产生sp~2杂化碳;氧化后金刚石粉体表面氧含量增加,碳氧官能团尤其是C-O键含量增加明显。(3)Ar和Ar-H2气氛下热处理后金刚石粉体表面的sp~2杂化碳增多,碳氧官能团含量减少。例如XPS测得30nm原料的C-O含量为33.74%,C=O含量为11.28%,起始氧化温度为520℃;在Ar气氛下热处理后sp~2相碳含量为24.06%,C-O含量为7.57%,C=O含量为6.38%,起始氧化温度为529℃;Ar-H2气氛下热处理后sp~2相碳含量为23.12%,C-O含量为6.33%,C=O含量为5.92%,起始氧化温度为554℃,起始氧化温度升高,活化能增大,CO2的解吸温度升高。碳氧官能团尤其是C-O含量越少,起始氧化温度越高,活化能越大,CO2的脱附温度越高。(4)综合氧化前后和表面处理后金刚石粉体表面结构和氧化特性之间的关系,可以得出sp~2杂化碳不是影响金刚石氧化特性的主要因素,含氧官能团尤其是C-O键是金刚石的氧化活性位。
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