几种天然特殊碳的结构、性状和形成机理研究

纳米碳具有许多不同寻常的性能，有广阔的工业应用前景。线状卡宾碳是理论拉伸强度最高、热传导性能最高的一维材料；球状碳充放电容量高、电化学稳定，是理想的锂电池负极和超高电容器材料。最近我们发现自然界存在天然特殊结构碳，这些特殊结构碳现在只是被作为普通石墨利用。本课题采用先进技术手段，对天然特殊结构碳、特别是纳米碳（笼状碳、纳米管、线状碳、球状碳等）的微结构和性状进行深入细致研究，在分子水平上建立元素碳的微结构和空间结构类型；利用高温高压实验技术、结合地质环境、地质历史分析，研究天然纳米碳的独特的形成机理，探索不同形式碳的相变转变机制，结合谱学、电子显微技术、建立不同碳物相特征结构参数、性状、形成条件的关系模型。研究天然纳米碳的电学、磁学等性能，有可能开发天然碳石墨材料作为功能材料的巨大潜力。从天然纳米碳的研究中获得系统全面的信息，推进人工纳米碳的制备和性能提高，有深远的科学意义和实际应用价值。

本课题对几种天然特殊碳的微结构、性状进行了深入研究，主要包括我国代表性的山东平度天然鳞片石墨、世界罕见的天然球状石墨（包括中国新疆准格尔北缘苏吉泉球状石墨、日本北海道音调津球状石墨）、生物源的特殊碳（包括马王堆木炭、特种煤）。采用体视显微镜、光学显微镜、X射线衍射仪分析矿物相，采用透射电子显微镜、拉曼光谱等先进技术手段，研究天然特殊碳的微结构、性状。结合野外地质工作，揭示天然纳米碳的形成机理。取得了一系列重要成果。.采用光学显微镜、X射线衍射仪、透射电镜等手段，分析认为日本北海道音调津球状石墨中除了石墨外，还存在镍黄铁矿﹑黄铜矿﹑磁黄铁矿等金属硫化物矿物。通过透射电镜观察发现音调津石墨中大部分是椭圆状石墨颗粒，高分辨晶格条纹主要是非晶态结构，也有结晶良好的石墨。高结晶度石墨可能是在Fe-Ni-Cu硫化物的触媒作用下形成的。.通过对新疆准格尔北缘苏吉泉球状石墨矿研究，提出“新疆苏吉泉地区的石炭二叠纪的黑色岩石不可能提供球状石墨矿可能的碳源物质”，推翻了“该区石墨的碳源物质来源于石炭二叠纪的碳质地层”的认识。通过对石墨矿方圆近百公里范围的所有碳物质地质考察，成功在新疆与蒙古国边界附近等找到了煤和石墨矿化点，属于侏罗纪地层，这有可能成为“苏吉泉球状石墨的碳源物质”。.采用场发射扫描电镜、透射电镜等手段，在特种生物碳—汉朝马王堆木炭中发现了大量的球状碳。特殊结构的木炭对于其中物质的保存、现代材料科学和两千多年前中国木炭烧制技术等研究有重要意义。一系列研究表明煤作为生物源碳，其中存在特殊碳。.采用氧化法、微波辅助氧化法除硫等方法，成功地将天然鳞片石墨中的杂质硫含量降低到50ppm以下、甚至几个ppm，不仅能够满足研究要求，还有可能大幅度提高我国石墨品质、达到核石墨标准。.采用天然鳞片石墨制备金刚石、石墨烯等，考察纳米炭结构转化。采用静压粉末触媒法六面顶压机进行高温高压处理，合成出粗粒金刚石单晶。采用微波法制备膨胀石墨、通过经超声分散、离心分离获得了3个碳原子层的石墨烯片。该方法是一种有效环保快速的石墨烯片制备方法。实验证明了石墨到几种纳米炭的结构转化，揭示出石墨能转变为金刚石、石墨烯等。.本课题采用先进技术手段，研究天然特殊碳的微结构、性状，结合地质特征分析揭示天然纳米碳的形成机理。通过实验实现了几种纳米炭结构转化。对于天然石墨的应用、新型碳材料的制备等有重要意义