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与金属氧化物相比,金属氮化物和碳化物具有很多金属氧化物所不具备的特性,所以金属氮化物和碳化物的制备一直是科学研究的重点。本论文从探索新的、普适性的金属氮化物和碳化物合成方法出发,利用一些有机物作为氮化和碳化的前驱体,合成出一系列的金属氮化物和碳化物,并对这种反应机理进行了研究。同时采用直接氮化的方法,合成出不同形貌的AlN纳米线,并详细的研究了这些AlN纳米线结构特性。主要研究结果如下:
首先,本文提出了一种新的、较为普适的过渡金属碳化物合成方法,合成出五种过渡金属碳化物NbC、TaC、VC、WC和MoC纳米颗粒。这种方法以三聚氰胺和一些过渡金属氧化物为反应起始物,通过在封闭体系中一系列的化学反应,制备出相应的过渡金属碳化物。这种机理的显著特点在于,三聚氰胺在热缩聚过程中分解释放出C3N3+,C2N2+,C3N2+和C3N4+等碳氮分子片段和C/N/H分子片段。这些分子片段将氢热还原和碳热还原、氮化和碳化过程结合起来,从而使得金属氧化物能够迅速而高效的转化成为金属氮化物和碳化物。
第二,笔者较为详细地表征了以有机物双氰胺为反应前驱物合成出的十种金属氮化物和五种过渡金属碳化物,并发现氨基双氰胺、氨腈、Franklin模型的石墨相C3N4和Teter模型的石墨相C3N4也是高效的氮化剂和碳化剂。研究结果表明这些有机物在热缩聚过程中释放的活性碳氮分子片段和封闭体系的压力的共同作用是氮化物和碳化物合成的关键。随着研究的深入,我们还探讨了其它有机物作为氮化剂和碳化剂的可能性。研究发现许多带有三嗪环(C3N3)基或三一三嗪环基(C6N7)的化合物能直接发生热缩聚反应,并能释放出活性的碳氮分子片段和C/N/H分子片段,这样的有机物都是高效的氮化剂和碳化剂。
第三,通过高温氮化Al金属颗粒的方法,成功地制备了大量超细AlN纳米线和六边形薄片叠加状的纳米线结构,并详细地表征了这些纳米线的结构特性和光学特性。我们分析了这些AlN纳米线的生长机制,认为快速沉积的气—固过程控制其生长。