中國(guó)粉體網(wǎng)訊 20世紀(jì)60年代，科技工作者在研究焦炭的形成過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，瀝青熱處理過(guò)程中發(fā)生了熱縮聚反應(yīng)生成各向異性的小球體，這些小球通過(guò)長(zhǎng)大、相互融并，最后形成廣域的融并體。1973年日本學(xué)者首次將其從瀝青母體中分離出來(lái)，并把分離出來(lái)的微米級(jí)小球稱為中間相炭微球（MCMB）。中間相炭微球具有良好的物化性能（如化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能等），是一種具有較大開發(fā)潛力和應(yīng)用前景的碳材料。它可以作為鋰離子電池負(fù)極材料、高密高強(qiáng)炭材料、催化劑載體、高超比表面積活性炭等使用。
中間相炭微球的生成過(guò)程涉及到成核、成長(zhǎng)和融并等過(guò)程。含有稠環(huán)芳烴的化合物（如煤瀝青、煤焦油、石油瀝青等）在熱處理時(shí)，發(fā)生熱縮聚反應(yīng)后形成的一種盤狀向列液晶結(jié)構(gòu)，在一定階段由于表面張力作用呈球形，隨著小球的長(zhǎng)大和融并最后轉(zhuǎn)化為中間相大融并體結(jié)構(gòu)。采用適當(dāng)方法把這些各相異性小球體從母液體分離出來(lái)的納米級(jí)球形炭材料即為中間相炭微球。
圖1中間相炭微球顯微鏡
中間相炭微球的形成機(jī)理研究大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：液相炭化理論，這一理論跨越了中間相炭微球研究的早期和中期；之后有研究者對(duì)液相炭化理論進(jìn)行改進(jìn)，指出中間相炭微球的生成不是小球間簡(jiǎn)單的插入和融并，而是不同結(jié)構(gòu)單元間連續(xù)構(gòu)筑的結(jié)果，即微域構(gòu)筑理論；后又有研究者提出顆�；締卧獦�(gòu)筑理論，該理論提出中間相形成和發(fā)展過(guò)程是三級(jí)結(jié)構(gòu)的連續(xù)構(gòu)筑。
1、液相炭化理論
傳統(tǒng)的解釋認(rèn)為，含有多種組分的瀝青有機(jī)化合物在較高溫度下加熱會(huì)發(fā)生熱解、熱脫氫、環(huán)化、縮聚和芳構(gòu)化等一系列化學(xué)反應(yīng)，逐漸形成的分子量更大、熱穩(wěn)定性更高的芳烴平面分子，這些芳烴平面分子為圓盤形的多環(huán)結(jié)構(gòu)。在分子熱運(yùn)動(dòng)和外力的作用下，芳烴平面分子發(fā)生取向，在范德華力的作用下形成層積體。為了保持體系穩(wěn)定達(dá)到最低能量狀態(tài)，這些形成的層積體開始在表面張力的作用下縮聚成球體，也就是中間相炭微球。這些小球體不斷吸收母液中的小分子長(zhǎng)大，在高溫的作用下小球體與小球體之間的碰撞激烈，平面分子層面彼此插入，從而使得球體之間相互融并形成更大的球體。最終在表面張力的作用下形成體中間相，示意圖見圖2。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液態(tài)碳化理論不能很好的解釋非均相成核中間相的形成和發(fā)展過(guò)程。
圖2中間相炭微球的液態(tài)碳化理論
2、微域構(gòu)筑理論
鑒于中間相小球融并長(zhǎng)大的實(shí)際情況與液體碳化理論解釋存在一定差異。日本學(xué)者I.Mochida等人提出了“微域構(gòu)筑”理論。他們認(rèn)為炭質(zhì)中間相是先形成具有規(guī)則形狀的片狀分子堆積單元，然后由片狀分子堆積單元構(gòu)成球形的微域，再由微域堆積成中間相球體，如圖3所示。這種理論不僅可以解釋炭微球連續(xù)長(zhǎng)大的現(xiàn)象，還可以有效解釋均相、非均相二種成核中間相的的形成過(guò)程。雖然不同于傳統(tǒng)碳化理論的球體片層之間相互插人而長(zhǎng)大的不合理解釋，但“微域構(gòu)筑”理論過(guò)于理想化，片層的堆積為復(fù)雜的過(guò)程，而非簡(jiǎn)單的規(guī)則的微晶模型。
a一片狀芳香分子；b一片狀分子堆積單元（分子組裝單元）；c一中間相瀝青之微域（準(zhǔn)取向分子組裝單元）
圖3中間相炭微球的“微域構(gòu)筑”理論
3、顆�；締卧獦�(gòu)筑理論
天津大學(xué)的李同起等基于非均相成核制備中間相炭微球?qū)嶒?yàn)提出了球形基本單元構(gòu)筑理論，該理論認(rèn)為中間相形成和發(fā)展過(guò)程是三級(jí)結(jié)構(gòu)的連續(xù)構(gòu)筑：首先反應(yīng)體系內(nèi)的小分子經(jīng)過(guò)熱縮聚反應(yīng)形成平面分子（一級(jí)結(jié)構(gòu)），平面分子在范德華力和π-π電子力的作用下堆積形成中間相構(gòu)筑單元（二級(jí)結(jié)構(gòu)），隨后中間相構(gòu)筑單元堆積形成中間相小球體（三級(jí)結(jié)構(gòu)）。為了拓展該理論的適用范圍，他們又將該理論進(jìn)一步完善為顆�；締卧獦�(gòu)筑理論，使得中間相構(gòu)筑單元不僅僅局限于球形。
a一平面分子；b一中間相構(gòu)筑；C一中間相球體；d一碳化中間相炭微球
圖4中間相炭微球的顆�；締卧獦�(gòu)筑理論
小結(jié)
自從中間相炭微球被發(fā)現(xiàn)后，研究人員對(duì)其結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用等多方面都有了較深的理解。不過(guò)，對(duì)于中間相炭微球的生長(zhǎng)機(jī)理，當(dāng)前還沒有一種理論能夠準(zhǔn)確的描述其成長(zhǎng)過(guò)程，未來(lái)仍需作進(jìn)一步的深化研究。
參考來(lái)源：
1、呂家賀.中間相炭微球基負(fù)極材料設(shè)計(jì)及儲(chǔ)鋰性能研究
2、顏丙峰等.兩種原料共炭化制取中間相炭微球
3、于銀萍等.中間相炭微球的研究進(jìn)展
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