碳化硅催化剂载体分享 http://blog.sciencenet.cn/u/Guoxiangyun 中国科学院山西煤炭化学研究所 研究员

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碳化硅的前世

已有 6910 次阅读 2016-4-20 11:23 |系统分类:科普集锦

  当我们到一个陌生的地方旅行时,身上往往会带一张当地的地图,这样就能比较容易地知道我们置身何处。对于想了解一些化学知识的人来说,元素周期表就是化学世界的地图。有了这张“地图”,我们就可以根据元素在周期表中的位置判断它的性质,以及它可能参与的化学反应。碳和硅的原子序数分别为614,在元素周期表中处于碳族元素的第二和第三周期,即上下相邻的位置。这种位置关系,表明它们在某些方面具有类似的性质。在我们生活的自然界中,碳元素无处不在,含碳化合物是构成形形色色的生命的物质基础。雷电引发的森林大火过后,地面上会留下树木不完全燃烧形成的大量木炭。早期的人类虽然不知道组成木炭的化学元素是碳,但他们肯定已经利用了这些木炭在洞穴里取暖、在岩壁上作画。由碳元素形成的另一种天然矿物──煤,已经为人类服务了数千年,现在仍然在为我们贡献着热和光。可以说,因为有碳元素,自然界才变得生机勃勃。在元素周期表中,碳元素的正下方就是硅。硅元素在地壳中含量巨大,但它的单质直到十九世纪才被发现和确认。1811年法国人Gay-LussacThénard首次制备出纯净的硅,到1823年瑞典人Berzelius再次制得纯硅后,才被确认为元素。虽然出世较晚,但它在半导体及现代通讯业中的作用却无法替代。在化学世界里,碳和硅是同一个大家族中的两个亲兄弟。在我们生活的地球上,它们共同战斗了数十亿年,但却没有结成生死与共的牢固友谊。也就是说,在自然条件下它们之间并没有通过化学键连接在一起,或者说地球上没有天然的碳化硅。

  人们在地球上没有找到天然的碳化硅,但却收到了来自宇宙空间中碳化硅发出的信号。早在十九世纪中期,德国科学家本生和基尔霍夫就发现原子可以吸收特定波长的光,由此开创了原子光谱分析法。原子有吸收光谱,由原子组成的分子也有自己特定的吸收光谱。我们知道,宇宙空间除了硕大的星体之外,还存在着大量的原子、分子,以及固体小颗粒,它们都会吸收来自宇宙深处的恒星发出的光。这些吸收了光能量的原子、分子和颗粒,又会通过发射不同波段的辐射释放出能量。因此,宇宙深处的星光经过长途跋涉到达地球时,其强度并不总是随波长增加而平滑降低的。在这种逐渐降低的消光曲线上,有时也会出现一些令人意外的鼓包。这些鼓包就是由于特定分子或固体小颗粒的发射光谱造成的。1983年,美国、英国、荷兰等国联合发射了一颗红外天文卫星,在太阳同步轨道上收集来自宇宙深处的红外光谱。从这些收集来的光谱上,人们发现在11.3微米处出现了一个明显的鼓包,而这正是碳化硅颗粒的特征发射。已经有很多证据表明,在宇宙空间的尘埃里存在着大量的碳化硅颗粒,大多数直径在0.1~1微米之间,约占星际尘埃总质量的5%

  在寒冷的宇宙星空中,这些细小的碳化硅颗粒看似在漫不经心的飘荡,实则它们刚刚经历过高温和烈火的炙烤。天文研究表明,宇宙中存在一类几乎全部由碳原子组成的恒星──碳星。和普通的由氢和氦组成的恒星相比,它们的温度较低,只有约3000K。由于碳化硅颗粒是在碳星周围的尘埃中发现的,而且只有立方相的碳化硅,因此人们推测这些立方相碳化硅颗粒是由碳星爆发喷射出来的碳和硅在温度进一步降低到2000K以下时形成的。碳化硅颗粒形成以后,也并非就开始了无所事事的飘荡生活,而是继续为宇宙演化做贡献。当温度降低到1500K以下时,碳化硅颗粒表面的硅会蒸发流失,从而在碳化硅表面留下一层石墨化的碳。这些石墨化的碳会继续和星际尘埃中的氢发生反应,形成复杂的碳氢化合物分子。有人甚至认为,地球上的生命就可能跟那些在星际尘埃中飞来飞去的碳氢化合物有关。无独有偶,目前在真空中热分解单晶碳化硅还是一种相当热门的制备石墨烯的方法,不知道研究人员当初是不是从宇宙尘埃中得到的启示?

  值得说明的是,人们在地球上也发现了一些碳化硅。这些碳化硅不仅在数量上微乎其微,而且几乎都与陨石有关。例如,1893年法国化学家、诺贝尔奖获得者Henri Moissan博士在美国亚利桑那州的一个陨石坑中发现的宝石级碳化硅,实际上就是由陨石带到地球上来的较大的碳化硅单晶颗粒。现在,这种宝石级碳化硅叫“莫桑石(Moissanite)”,就是为了表示对发现者Moissan博士的尊敬。因此可以认为,地球上发现的碳化硅很可能都是来源于宇宙空间。一种说法认为,地球是由在太空中漂浮的尘埃凝聚形成的。既然太空尘埃中有大量的碳化硅,那么地球刚形成时也应该有碳化硅。经过几十亿年的演化,这些从宇宙深处产生的碳化硅在地球上各种各样的化学过程中早已面目全非。如今在地球上广泛存在的氧化硅、硅酸盐、煤和各种含碳物质,也许就和碳化硅存在着千丝万缕的联系。

  从上面的简单介绍可以看出,碳化硅在宇宙空间中参与了许多重要的化学过程。然而,在我们生活的地球上,碳化硅的主要用途还只是制造磨具磨料、高性能陶瓷等,在化学方面的大规模应用还没有。对化学家来说,碳化硅是真的没有用,还是没有意识到它的作用?从碳化硅在宇宙空间中的演化历史看,碳化硅注定不是一种平庸的材料!




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