催化反应制备碳化硅纳米粉体的密度泛函理论计算及实验研究

摘要 以Si55，Si43M12和Si37M18（M=Fe，Co或Ni）团簇为模型，采用密度泛函理论（DFT）研究了Fe，Co及Ni纳米团簇催化硅粉转化为SiC的机理.计算结果表明，Fe，Co及Ni纳米催化剂先与Si形成合金，拉长并弱化Si-Si键的强度，起到活化Si粉的作用；合金的形成有利于C原子的吸附及Si原子和C原子间的反应；Fe的催化能力强于Co和Ni.在此基础上，以Si粉和酚醛树脂为原料，以Fe，Co及Ni硝酸盐为催化剂前驱体，通过微波加热反应制备了3C-SiC纳米粉体.研究了催化剂种类、反应温度、催化剂用量和反应时间等对制备3C-SiC纳米粉体的影响.结果表明，催化剂Fe，Co和Ni的加入均可显著降低3C-SiC的合成温度.当以2.0%（质量分数）的Fe为催化剂时，Si粉在1100℃下反应30 min后即可全部转化为3C-SiC纳米粉体；而在相同条件下，无催化剂时Si粉的完全转化温度为1250℃；Fe的催化效果优于Co和Ni，与DFT计算结果吻合