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氯负离子存储—发射材料的制备及其性能研究

作　者: 孙剑秋
导　师: 李全新
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 化学物理
关键词: 氯负离子 C12A7 储存发射功能材料发射机理溶胶-凝胶自蔓延燃烧
分类号: O613.42
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

氯负离子是一种单价电荷负离子,通常由一个电子与氯原子结合形成。其在大气环境化学、负离子质谱、材料改性、蚀刻和生物化学技术等方面有着非常重要的应用价值。本论文成功地合成了氯负离子存储-发射材料[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺·（Cl–）3.80（O²–）0.10 （缩写为C12A7–Cl^-）;并研究了该材料的结构特性、负离子发射和存储特性、氯负离子源的建立方法;详细探讨了C12A7–Cl^-材料的负离子存储-发射机理;并成功地利用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法制备了该功能材料。主要的研究结果如下:（1）C12A7–Cl^-的合成和结构表征。在流动氩气气氛下于1350℃的高温条件下焙烧CaCO3、γ-Al₂O₃和CaCl2,然后在700℃和氯气/氩气混合气氛下进行退火处理来制得C12A7–Cl^-材料。场发射扫描电子显微镜（FESEM）和X射线衍射（XRD）表征证明制得的C12A7–Cl^-材料属于I 43d空间群,晶格常数为1.2015±0.0005 nm。平均粒径大小为50 nm。（2）Cl^-离子发射特性。利用飞行时间质谱（TOF-MS）测量了C12A7–Cl^-材料的发射特性,包括发射温度效应,负离子发射分支比,引出电场效应和负离子发射稳定性等内容。实验结果证明,Cl^-离子为C12A7–Cl^-材料最主要的发射离子,其发射强度随表面温度或引出电场的上升而增加。（3）Cl^-离子发射电流。利用飞行时间质谱同步测量得到的各负离子发射分支比和测量的C12A7–Cl^-材料的发射总电流密度,计算出各种负离子的绝对电流密度。其中,Cl^-离子的发射电流密度可以达到10μA/cm2量级。并根据发射电流密度计算了各负离子发射的表观活化能:得到的各负离子的表观活化能随着引出电场的上升而下降,且与肖特基公式符合。在样品背面持续注入氯气和电子的情况下,C12A7–Cl^-材料可以比较稳定地发射μA/cm2量级的Cl^-离子束。（4）Cl^-离子存储特性。C12A7–Cl^-材料的存储特性是由电子顺磁共振（EPR）、离子色谱（IC）和拉曼光谱（RS）等方法来表征的,结果表明该材料中存储的负离子物种主要是Cl–负离子（（2.21±0.24）×1021 cm?3）,此外还有少量的O2–和痕量的O–和O2–。（5）Cl^-离子形成和发射机理。C12A7–Cl^-材料中的Cl^-离子初步形成于高温焙烧过程中,然后在后续的退火处理中经离子-分子反应进一步增强。在负离子发射过程中,C12A7–Cl^-材料内部的Cl^-离子在电场增强的热扩散过程作用下移动到样品表面,再脱附到气相中。而伴随的少量电子和O?离子发射主要来源于材料笼中负离子的解离。（6）用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法制备C12A7–Cl^-。利用溶胶-凝胶自蔓延燃烧法（SGCS）制备C12A7–Cl^-材料,运用多种表征手段对材料的结构和存储性质进行研究,同时利用TOF质谱对样品的负离子发射情况进行了测试。结果表明该方法可以成功地合成C12A7–Cl^-材料。上述结果表明,氯负离子存储-发射材料C12A7–Cl^-具有高浓度存储氯负离子,高强度和高纯度发射氯负离子的能力;在电化学注入时所发射的稳定氯负离子流对建立氯负离子源非常有用;溶胶-凝胶自蔓延燃烧法可以成功的合成C12A7–Cl^-材料。

氯负离子存储—发射材料的制备及其性能研究

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