新型类金刚石结构C5N化合物的高压合成与物性研究

In this project, pressure-induced phase transition of C5N compounds and the functional properties of high-pressure phase will be investigated systematically by combination of experiment and theoretical calculations. The critical pressure of phase transition from layered C5N to dense C5N will be obtained by theoretical calculations, which provides guidance for the experimental synthesis of dense C5N phase. The diamond-like dense C5N phase will be accessed via high temperature-high pressure treatment of graphite-like C5N precursor which was prepared by hot filament chemical vapor deposition. The pressure-temperature phase diagram of the C5N phase will be established. Structural models of dense C5N phase and corresponding stability will be constructed and explored by first-principles calculations. The crystal and valence bond structures of dense C5N phase will be determined by analyzing the experimental and theoretical results. To explore conjectured superhardness and superconductivity, the mechanical (especially hardness) and electrical properties of dense C5N phase will be investigated experimentally and theoretically. Microscopic mechanism accounting for the phase transition, mechanical and electrical behaviors of dense C5N phase will be addressed through this project. The scientific issue whether dense C5N phase is a new type of superconducting and/or superhard materials will be elucidated and lay the foundation for the application of C5N materials from both experiments and theories.

本项目采用实验和计算相结合的方法，系统研究C5N化合物的高压相变行为，并探索其功能性质。理论研究层状C5N结构在高压下的相变，计算出相变压力，为实验合成致密C5N相提供理论指导。以热丝CVD法合成的类石墨结构C5N粉体作为前驱物，采用高温高压法合成类金刚石结构致密C5N高压相。建立C5N相的压力－温度相图。设计致密C5N晶体结构模型，采用第一性原理软件计算其结构稳定性。实验测试和理论计算相结合，确定致密C5N相的晶体结构和价键结构。测定和计算出致密C5N相的力学性质(特别是硬度)，探索该化合物作为超硬材料的可行性。测定和计算出致密C5N相的电学性质，探索该化合物是否具有超导电性。根据计算结果，对致密C5N相高压相变、力学和电学性质的微观机理给出理论解释。本项目的完成，不仅可以解决"致密C5N相是否是一种新型超硬多功能材料"的科学问题，而且为新型C5N材料的应用，从理论和实验两方面打下基础。

本项目采用理论计算和实验相结合的方法，系统研究了C3N和C5N 化合物的高压相变行为，并探索其物理性质(电学和力学性质)。采用晶体结构预测软件，获得了三种新的、稳定的、之前未见报道的C3N晶体，均为半导体材料，硬度高达79GPa，可与金刚石媲美，并对这些结构的高压相变压力进行了预测。同时，还预测得到了一种新型的导电的C5N(C2/m)结构，该结构比文献中报道的能量更低更稳定，其硬度高达76GPa。同时，系统研究了新近发现的新型二维材料MXene作为储氢材料的可行性，研究结果显示：二维Ti2C、Sc2C和V2C都是一种很好的储氢材料，储氢容量高，具有很好的可逆吸放氢能力。研究了新型二维层状材料MXene储锂性能及储锂机制。首次发现了MXene在储氢过程中的结构相变行为，成功给出了不同MXene材料储锂行为具有很大差异的机理，对促进高比容量电极材料设计的发展具有重要意义。共发表学术论文4篇，其中SCI收录3篇、EI收录1篇，SCI一区1篇(发表2年时间，被引用次数达到了36次)、二区1篇(被引用18次)。参加国内外学术会议四次。共培养硕士研究生4人，毕业2人，在读硕士生2人；申请发明专利2项。