原位中子衍射研究软化学合成机理及反应中间体的结构分析

In this proposal, we are developing an in-situ reaction system that can be used under a neutron beam to study the soft chemistry reaction mechanism, including the molten salt method and hydrothermal synthesis. Such an in-situ system is applicable to major neutron sources in China, both reactor- and spallation-type, in order to advance the in-situ reaction measurement system in the neutron community. This can also provide an excellent experimental platform for material scientists who regularly use different large national facilities for experiments and measurements. We have selected to study some well-known electrode materials as case studies, including LiFePO4, LiMn1.5Ni0.5O4, LiNi1-x-yMnxCoyO2, and Li1-xMxO, as to establish the synthesis reaction mechanism in liquid media, which will be the first time in the history. In addition, we will identify all intermediates during the heating process and understand their crystal growth kinetics with the use of in-situ neutron diffraction. The whole project includes 4 stages. The first stage is to manufacture reactors with different materials and evaluate their functionalities. This can be achieved by purchasing and modifying different types of metallic and quartz holders from companies. Second, we will analyze the crystal growth mechanism. Third, we will use Rietveld refinement to understand the atomic structure and identify all intermediates with different temperatures and time zones. Fourth, we will isolate the intermediates and study their physical and chemical properties.

本项目研究开发一种应用于原位观察软化学合成法的中子衍射测试反应系统，提供以研究水热法和熔盐法为主的化学反应机理实验平台，并期望将这套系统推广应用于国内的反应堆型及加速器型中子源，丰富国内中子源的反应测试系统。本项目选取结构已知的经典磷酸铁锂、高压金刚石、三元层状材料和岩盐系统为研究对象，旨在建立一套原位观察其合成过程中的化学反应机理的系统，探索其亚稳相/介稳相的中间态的性质，完善其合成过程中的动力学机理，推广原位中子衍射观察软化学合成过程这一技术手段，主要有四个方面。第一制造带有观察窗的可用于原位中子衍射的反应釜。第二分析一些结构已知系统中的晶体生长机制。第三通过原位中子散射测试及精修分析，把有关的中间体出现的温度及时间定位。第四，分离中间体并研究其物理和化学性质以及完善其动力学机理。

本项目的内容主要是研究开发一种应用于原位观察软化学合成法的中子测试反应系统，提供以研究水热法和熔盐法为主的化学反应机理实验平台，并且将这套系统推广应用于国内的主要中子源（包括反应堆型及加速器型），丰富国内中子源的反应测试系统，并为相关的材料科学家在利用大科学装置上提供平台。本项目选取结构已知的经典系统中体系为研究对象，旨在建立一套原位观察其合成过程中的化学反应机理的系统，探索其亚稳相的中间态的性质，完善其合成过程中的动力学机理，推广原位中子衍射观察软化学合成过程这一技术手段，主要有四阶段。第一阶段制造以不同材料的反应器并检查其效果，满足测试要求而直接应用在熔盐法和水热法反应上。第二阶段是分析一些已知系统中的晶体生长机制。第三阶段是通过原位中子散射测试及精修分析，把有关的中间体出现的温度及时间定位。而第四阶段是分离中间体并研究其物理和化学性质。在目前的项目中，我们已经成功地制备了不同类型的水热合成反应器和熔盐反应器。我们还研究了一些电池电极以了解其结构和电化学特性。本项目共20个成果，其中高影响力同行评审稿件13篇，中国发明专利6项，合作奖1项。