β-нитрид углерода
 Решетчатая структура (β-C 3 N 4 ).]]
| |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК
β-нитрид углерода
| |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol )
|
|
| МеШ | Углерод+нитрид |
| Характеристики | |
| C3NC3N4 | |
| Молярная масса | 92.061 g·mol −1 |
| Структура [1] | |
| Шестиугольный , hP14 | |
| Р6 3 /м № 176 | |
а = 6,36 Å, c = 4,648 Å
| |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
| |
β-Нитрид углерода ( бета -нитрид углерода), β-C 3 N 4 , представляет собой сверхтвердый материал, который, по прогнозам, тверже алмаза. [2]
Материал был впервые предложен в 1985 году Эми Лью и Марвином Л. Коэном . Исследуя природу кристаллических связей , они предположили, что атомы углерода и азота могут образовывать особенно короткие и прочные связи в стабильной кристаллической решетке в соотношении 1:1,3 и что этот материал может быть тверже алмаза . [3]
Наноразмерные кристаллы и наностержни β-нитрида углерода могут быть получены методом механохимической обработки. [4] [5] [1] [6]
Производство
[ редактировать ]Обработка
[ редактировать ]β-C 3 N 4 может быть синтезирован в механохимической реакции. Этот метод включает шаровое измельчение порошков графита высокой чистоты до аморфного наноразмера в атмосфере аргона. Затем аргон заменяется газовой атмосферой NH 3 , что способствует образованию наноразмерных чешуйчатых частиц β-C 3 N 4 . [1] Во время шарового помола в результате столкновений шара и порошка неоднократно происходит разрушение и сварка реагентов и частиц графитового порошка. Пластическая деформация частиц графитового порошка происходит за счет распада полос сдвига на субзерна, разделенные малоугловыми границами зерен, дальнейшее измельчение уменьшает размер субзерен до образования наноразмерных субзерен. Высокое давление и интенсивное движение способствуют каталитической диссоциации молекул NH 3 на одноатомный азот на разрушенной поверхности углерода. Наноразмерные углеродные порошки действуют существенно иначе, чем основной материал из-за размера частиц и площади поверхности, что приводит к тому, что наноразмерный углерод легко реагирует со свободными атомами азота, образуя β-C 3 N 4 . порошок [6]
Производство наностержней
[ редактировать ]Монокристаллические наностержни β-C 3 N 4 порошкообразного или чешуйчатого соединения могут быть сформированы после термического отжига в потоке газа NH 3 . Размер наностержней определяется температурой и временем термического отжига. Эти наностержни растут быстрее в направлении своей оси, чем в направлении диаметра, и имеют концы, похожие на полусферы. Поперечное сечение наностержней указывает на призматическую морфологию их сечения. Было обнаружено, что они содержат аморфные фазы, однако при отжиге до 450 °С в течение трех часов в атмосфере NH 3 количество аморфной фазы уменьшилось практически до нуля. Эти наностержни являются плотными и сдвоенными, а не нанотрубками. Синтез этих наностержней посредством термического отжига обеспечивает эффективный, недорогой и высокопроизводительный метод синтеза монокристаллических наностержней. [6]
Альтернативные методы синтеза
[ редактировать ]Вместо формирования порошка или наностержня соединение нитрида углерода альтернативно может быть сформировано в виде тонких аморфных пленок с помощью технологии ударно-волнового сжатия, пиролиза прекурсоров с высоким содержанием азота, диодного распыления, сольвотермической подготовки, импульсной лазерной абляции или ионной имплантации . [6]
Трудности обработки
[ редактировать ]Хотя сообщалось об обширных исследованиях процесса и синтеза образующегося нитрида углерода, концентрация азота соединения имеет тенденцию быть ниже идеального состава для C 3 N 4 . Это связано с низкой термодинамической стабильностью по отношению к углеродным фазам и газу N 2 , о чем свидетельствует положительное значение энтальпий образования . Коммерческое использование нанопорошков сильно ограничено высокой стоимостью синтеза и сложными методами производства, что приводит к низкому выходу. [1] [6]
Характеристики
[ редактировать ]Морфология
[ редактировать ]β-C 3 N 4 имеет ту же кристаллическую структуру, что и β- Si 3 N 4 с гексагональной сеткой тетраэдра (sp 3 ) связанный углерод и тригональный плоский азот (sp 2 ). [6] Термический отжиг можно использовать для изменения морфологии кристаллов с чешуйчатой на сферическую или стержнеобразную структуру. [1] Наностержни, как правило, прямые и не содержат других дефектов. [6]
Характеристики
[ редактировать ]Была предсказана твердость, равная или превышающая твердость алмаза (самого твердого из известных материалов). [3] но еще не продемонстрировано.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Инь, ЛВ; Ли, М.С.; Лю, YX; Суй, Дж.Л.; Ван, Дж. М. (2003). «Синтез наноразмерного кристалла бета-нитрида углерода посредством механохимической реакции». Физический журнал: конденсированное вещество . 15 (2): 309–314. Бибкод : 2003JPCM...15..309Y . дои : 10.1088/0953-8984/15/2/330 . S2CID 250752987 .
- ^ Болл, П. (2000). «Новости: Хрустящая начинка». Природа . дои : 10.1038/news000511-1 . S2CID 211729235 .
- ^ Jump up to: а б Лю, AY; Коэн, ML (1989). «Прогнозирование новых твердых тел с низкой сжимаемостью» . Наука . 245 (4920): 841–842. Бибкод : 1989Sci...245..841L . дои : 10.1126/science.245.4920.841 . ПМИД 17773359 . S2CID 39596885 .
- ^ Ню, К.; Лу, Ю.З.; Либер, CM (1993). «Экспериментальная реализация ковалентного твердого нитрида углерода». Наука . 261 (5119): 334–337. Бибкод : 1993Sci...261..334N . дои : 10.1126/science.261.5119.334 . ПМИД 17836844 . S2CID 21070125 .
- ^ Мартин-Хиль, Дж.; Мартин-Хиль, Ф.Дж.; Сарыкая, М.; Цянь, М.; Хосе-Якаман, М.; Рубио, А. (1997). «Свидетельства существования нитрида углерода с низкой сжимаемостью и структурой дефектной цинковой обманки». Журнал прикладной физики . 81 (6): 2555–2559. Бибкод : 1997JAP....81.2555M . дои : 10.1063/1.364301 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Инь, ЛВ; Бандо, Ю.; Ли, М.С.; Лю, YX; Ци, YX (2003). «Уникальные монокристаллические наностержни из бета-нитрида углерода». Продвинутые материалы . 15 (21): 1840–1844. Бибкод : 2003АдМ....15.1840Г . дои : 10.1002/adma.200305307 . S2CID 95431446 .