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反应容器几何形状作为热力学参量控制化学反应进程和结果
2019-03-01| 作者:侯玉斌 | 【 【打印】【关闭】

磁性纳米复合材料因其合成能够受到磁场导向作用而特别受到关注,如氧化铁等。对于碳化铁,碳原子的引入使其十分稳定,在生物成像、磁存储、能源转化方面应用前景很高,但因合成、功能调节困难,其研究远逊于氧化铁。而要改进、调节磁性纳米复合材料的功能,对其形状和结构控制非常重要,特别是要得到管状纳米结构,这已成为生长功能异质和复合纳米结构的有效基底。

问题是,对于常用的固相反应,能改变反应过程和产物生长的可调参数很少,通常只有温度、时间、通气体等。近期,中科院强磁场科学中心陆轻铀课题组与南京大学陆轻铱课题组合作,设计了一种可直接插入到强超导磁体窄小低温孔径液氦中使用的超隔热高温反应系统(图1),并将之用于研究强磁场下纳米结构的生长过程,意外地发现反应容器的空间形状对纳米结构的生长甚至化学反应的进程,具有独立的、决定性的影响。

在一端封闭的小口径瓷管中热分解预先合成的片状双金属前驱物,在600°C生成FeC纳米颗粒@ZnCN2纳米管复合材料(图2),在900°C生成奥氏体/Fe纳米颗粒@碳纳米管复合材料(图3),这与常规瓷舟中获得的氧化物产物均不相同。进一步设计实验,研究反应器“长径比”对化学反应的影响(图4),在不同长径比的容器中分别获得了ZnO/Fe3O4纳米颗粒、Fe3O4@ZnO 纳米管阵列和FeC@ZnCN2纳米管阵列三种不同成分、不同形貌和不同组装方式的纳米结构材料。研究人员甚至可以根据反应容器的不同“几何形状参量”来画一个反应产物的“相图”(图5)。

这一研究证明了反应容器的几何形状也是一种可独立调节的热力学参量,可用于控制化学反应的进程和纳米结构生长结果。这也对未来合成出新型材料带来新的可能。该工作以“Space-confined growth of novel self-supporting carbon-based nanotube array composites”为题发表在Composites Part B 161 (2019) 328-335。该工作受到科技部、国家自然科学基金委、中科院合肥科学中心、中国科学院科学仪器专项和江苏高等教育优势学科资助。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.10.047

  

图1. 自主研制的可直接植入超导磁体低温孔径液氦中进行热分解反应的高温控温系统

  

图2. 小管反应体系中,600°C下获得的产物XRD谱图,SEM照片和HRTEM照片

  

图3. 小管反应体系中,900°C下获得的产物XRD谱图,SEM照片和HRTEM照片

 

 

图4. 不同长径比反应容器中的反应过程示意图

 

图5.反应容器长径比对反应产物的影响

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