高比表面积纳米碳的超低温液相氧化合成及反应机理研究

本项目提出一种液相超低温氧化反应合成高比表面积纳米碳的新方法。利用二茂铁与无机铵盐可以在氧气作用下低于200oC反应生成碳材料的特点，使反应移入到合适的高沸点溶剂中进行，进而制备出尺寸及形态均匀，且具有高比表面积的纳米碳材料。完成对纳米碳形貌、微观结构、比表面积、孔结构、表面化学性质和电导率等性能的系统表征；通过热力学与动力学分析揭示化学反应路径，研究分子作用细节，构建反应模型，揭示二茂铁的低温脱氢炭化机理；分析溶剂对反应物、中间产物的影响机制，阐明液相合成纳米碳的机理；综合分析溶剂、无机铵盐和工艺参数对纳米碳形貌、结构及性能的影响机制，优化工艺，实现控制合成；最终将该方法发展为高比表面积纳米碳的普适性合成方法，并可望突破高比表面积纳米碳的低成本、大规模制备技术瓶颈，为其商业化应用提供坚实的理论与实验基础。

采用二甘醇作为溶剂，以二茂铁为碳源，利用二茂铁与氯化铵可以在有氧环境下反应生成碳的特点，于200ºC敞开气氛中通过多元醇法制备了直径为20~50nm的碳颗粒。该碳材料主要含有中孔，比表面积为75.2m2/g，平均孔径为9.8nm。当使用三甘醇、四甘醇、乙二醇苯醚等溶剂时，在空气环境下反应制备的大比表面积纳米碳为具有非晶态结构等轴状颗粒，尺寸为10~100nm。随着二茂铁在不同溶剂中的溶解度提高，所制备的纳米碳颗粒尺寸越小，比表面积越大。在乙二醇苯醚中获得的纳米碳颗粒比表面积为829.62m2/g。当使用溴化铵和聚乙二醇时，在相同反应条件制备的纳米碳也为具有非晶态结构等轴状颗粒，尺寸为10~100nm。比表面积为578.68m2/g，并证明铵离子是这个过程中的主要因素。.二茂铁与过硫酸铵、重铬酸铵和高氯酸铵在压力容弹中于200°C反应，分别制备碳包覆纳米球形Fe7S8、等轴状Fe3O4、球状FeOOH颗粒。球形Fe7S8颗粒直径集中分布在10~60nm之间，中位径为28.99nm，其表面所包覆的具有易石墨化结构的碳壳厚度集中分布在5~20nm之间。碳包覆等轴状Fe3O4纳米颗粒的中位径为52.68nm，易石墨化碳的有序度比硫化铁更好。碳包覆球状FeOOH纳米晶的中位径为25.66nm，碳壳具有非晶态结构。金属茂合物在亲电试剂和氧化剂的共同作用下，有机物配体和金属相作用的π键被破坏，造成配位体的脱氢炭化，最终低温制备碳材料。碳包覆的球形Fe7S8纳米晶用做锂离子电池电极材料，其中Fe7S8的重量百分含量为33.5%，Fe7S8@C电极在200和2284mA•g-1的电流密度下，50次循环后保持可逆容量为539 mAh•g-1和815 mAh•g-1。高容量，良好的循环性能和快速充放电能力归因于碳壳的良好导电性和其对纳米晶的保护。.将二茂铁和氯化铵于气压中反应，然后分别在800，1000和1200ºC热处理1h。随着温度的提高，石墨化程度略有提高。热处理后出现少量介孔，孔径主要分布在4nm。比表面积随热处理温度的升高而升高，在1000ºC热处理时达到最大，随后降低。热处理提高了以碳空心球为负极的锂离子电池循环性能，在800ºC热处理后，电池的容量显著提高，首次容量可达357mAh/g，经过40个循环后仍为303mAh/g；热处理温度继续升高，容量降低，但首次库仑效率提高。