新型BxC6N7化合物的可控合成及高压相变研究

B-C-N compound is one kind of novel metastable materials with multifunction such as superhard and semiconducting properties, design and synthesis of which are extremely important to popularization and application of new technologies in precision machining, energy exploitation and aerospace fields. The key issues is how to obtain pure B-C-N compounds with chemical bonding of B, C and N atoms. The research objective of this project is to study controlled synthesis method of molecule-level B-C-N compound. The BxC6N7 compounds (x=1-5) with chemical bonding of B, C and N atoms can be synthesized by precision-temperature-controlled pyrolysis of heptazine compounds after decomposing, bridging and atom interstitial gradually. Models of BxC6N7 compounds will be built and studied by Density Functional Theory method. Using high-pressure-high-temperature technology, superhard and cubic BxC6N7 compounds will be prepared. The mechanisms of phase transition, conductivity and microhardness will be investigated, especially for the effects from atom interstitial and vacancy to interlayer bonding and physical and chemical properties. Due to the different electrical charge, pure B-C-N compounds will be obtained using electrophoretic technique, and the performance of which in electrophoretic solution is illuminated. The research in this project not only achieve successfully to control and prepare molecule-level BxC6N7 compounds, but also great significant for the synthesis and application of new functional metastable materials.

硼碳氮化合物是集超硬、半导等多功能于一身的新型亚稳材料，其设计与合成对于精密加工、能源开采、航空航天领域新技术的应用有极其重要的意义。硼、碳、氮三元化合的化合物合成及纯化是目前研究的关键所在。本课题拟以草怕津结构化合物为原料精确控温分解，使硼原子与之化合、架桥、填隙，制备真正化学结合的BxC6N7三元化合物（x=1-5），研究分子级别硼碳氮三元化合物的可控合成方法；综合利用密度泛函理论计算方法与高温高压技术，合成立方结构、超硬BxC6N7三元化合物，研究BxC6N7三元化合物的相变、电导和超硬机理，探讨硼原子的填隙、空位对层间键合、物化性能的影响；依据不同结构化合物的荷电特性，提出应用绿色电泳技术，不引入杂质相的前提下获取高纯硼碳氮化合物，研究不同硼碳氮化合物的电泳规律。本课题不仅可实现分子级别BxC6N7三元化合物的可控设计与合成，也对新型亚稳功能材料的合成与应用具有重大意义。

本课题以草怕津结构化合物为原料，在较低温度下（80-260 ℃）合成出化学键合的三元硼碳氮化合物。调控原料、合成温度、溶剂，可以获得不同形貌和化学计量比的硼碳氮化合物。合成产物中，包含有一定量的二元化合物或氧化硼，结合酸处理、离心分离和电泳技术，可以获得较高纯度的样品，产品多为微米尺寸。薄片状硼碳氮化合物的比电容最高（343.1 F/g，0.5 A/g）,并且具有较好的循环稳定性，揭示出硼碳氮化合物在超级电容器方面的潜在应用。采用第一性原理方法，研究了层状BxC6N7化合物的电子性能和相变规律，计算结果显示层状BxC6N7化合物属于窄带隙半导体，带隙值在0.2-15 eV。在较高压力下会转变为低对称性的致密相，致密相BxC6N7是超硬材料，其中单斜结构B3C6N7理论硬度值可达70 GPa。根据理论计算结果，我们在T25压机上进行了高温高压试验。层状化合物在20 GPa和800 ℃实验条件下发生了分相，且有致密相硼碳氮化合物生成。对高压样品SEM、TEM、XPS等测试结果的综合分析，在高压下样品发生了分相，且有致密相硼碳氮化合物，硬度值约为40 GPa，是一种超硬材料，在机械加工和新型多功能材料产业具有一定的应用前景。