金刚石及类金刚石材料的常温常压电化学合成

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由于具有高透光度,高折射系数,高硬度等优良的性能,金刚石、类金刚石及其薄膜在许多领域具有重要应用,是材料领域持续的研究热点。金刚石、类金刚石及其薄膜的制备一直备受人们关注。本文首先综述了金刚石和类金刚石材料的制备方法,着重叙述了有机液体电沉积金刚石和类金刚石材料的研究进展。本文首先对CCl4—离子液体([BMIM]BF4)体系进行了进一步研究,通过增加第三种溶剂和超声波辅助反应这两种方法对反应体系进行了改进,以提高体系的电流利用率,缩短反应时间。分别研究了乙腈(AN)—[BMIM]BF4—CCl4体系和[BMIM]BF4—CCl4超声波辅助反应体系。采用X射线粉末衍射(XRD)和Raman光谱等方法对沉积产物进行表征,结果表明均未得到金刚石和类金刚石结构的产物。可能第三种溶剂的加入使体系的反应机理变得更加复杂,对产物的生成产生了不利的影响。分别以CCl4,CHCl3,CH3OH为碳源,研究了低电压还原沉积金刚石及类金刚石物质的可行性。采用三电极体系,使用恒电压或恒电流沉积的方法,以镍-钴合金片作为工作电极和沉积基底,研究了CCl4—四丁基氯化铵(TBAC)—1,2-碳酸丙二醇酯(PC)体系,CHCl3—TBAC—PC体系,以及(CCl4+CHCl3)—TBAC—PC体系。研究表明CHCl3—TBAC—PC体系恒电压沉积得到的产物硬度较大。Raman光谱在990 cm-1,1100 cm-1,1290 cm-1,1580cm-1左右出现四个宽峰,证实产物具有类金刚石结构。采用恒电流沉积对该体系进一步研究,Raman光谱和X射线光电子能谱(XPS)均表明产物具有类金刚石结构,根据产物中sp3碳的含量,可分为a-C:H和ta-C:H两种不同形式。其中以恒电流0.1 mA·cm-2沉积的产物为a-C:H形式的类金刚石物质,以恒电流1 mA·cm-2沉积的产物为ta-C:H形式的类金刚石碳膜。在CCl4—TBAB—PC体系和(CCl4+CHCl3)—TBAC—PC体系中则没有得到满意的结果,产物多为无定形的物质和一些高聚物。采用两电极体系,使用传统的直流电沉积方法,研究了CH3OH—TBAC体系,CHCl3—TBAC体系和CCl4—TBAC体系。在CH3OH—TBAC体系中,采用ITO玻璃电极作为阴极和沉积基底,沉积得到黑褐色的碳膜。Raman光谱在1350 cm-1和1550 cm-1左右出现的宽峰证实产物为类金刚石结构的碳膜。而在CHCl3—TBAC体系和CCl4—TBAC体系中采用Ni-Co合金片作为阴极电极则没有得到目标产物,其中CHCl3—TBAC体系产物为无定形的物质和一些高聚物。
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