一种碳化钨纳米阵列材料、其制备方法及用途技术

本发明专利技术公开了一种碳化钨纳米阵列材料，包括基底材料和生长于基底材料上的碳化钨纳米阵列结构材料，所述碳化钨纳米阵列结构材料可以为氮掺杂或非氮掺杂；所述碳化钨纳米阵列结构包括纳米线阵列、纳米带阵列、纳米柱状阵列或纳米蹼状阵列。本发明专利技术还公开了所述碳化钨纳米阵列材料的制备方法及电催化析氢析氧以及高效光热蒸发净水的用途。

Tungsten carbide nano array material, preparation method and application thereof

The invention discloses a tungsten carbide nanoarray material, including a substrate material and a tungsten carbide nanoarray structure material on the substrate. The tungsten carbide nanoarray structure material can be nitrogen doped or non nitrogen doped. The tungsten carbide nanoarray structure includes a nanowire array, a nanoscale array, and a nanoscale column. A form of an array or a webbed array. The invention also discloses the preparation method of the tungsten carbide nano array material, and the use of the electrocatalytic hydrogen evolution oxygen evolution and the high efficiency photothermal evaporation water purification.

【技术实现步骤摘要】
一种碳化钨纳米阵列材料、其制备方法及用途
本专利技术属于无机纳米材料制备与利用领域，具体涉及一种碳化钨纳米阵列材料、其制备方法及用途。
技术介绍
碳化钨(WC)价格低廉，经常被用于硬质金属的制备，性质稳定。在空气中，400℃以下是稳定的。碳化钨具备良好的导电性、导热性。研究表明，碳化钨具有等离子体共振效应，且抗激光照射。碳化钨在酸性体系中很稳定，并且有与铂类似的催化氢解作用，这种氢解作用可以拓展到诸多有机催化、电催化领域。以上的种种特性，使得碳化钨材料的研究受到广泛关注，碳化钨材料也越来越多地应用于生产、生活和军工领域。然而，目前碳化钨的纳米材料的制备面临诸多问题。第一、目前碳化钨纳米材料多以粉末材料为主，然而粉末材料在实际应用中需要重新分散、烧结、喷涂等，并且喷涂的碳化钨材料不能跟基底良好接触，这些都会在应用中造成不利影响，例如会影响材料成形后的比表面积、硬度、导电性等等。第二、碳化钨的制备需要经过一个高温碳化过程，这个过程大多使用氢气和甲烷的混合气作为碳源，这使得生产过程比较危险。第三、有报道的不使用氢气和甲烷作为碳源的合成方法生产出来的碳化钨纳米粉末材料多具有复杂的钨、碳化合物成分。为了解决上述问题，提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术属于无机纳米材料制备和能量转化与利用领域，具体涉及通过水热法和可挥发固体气相化学沉积法制备碳化钨纳米阵列材料，该方法制备的碳化钨纳米阵列材料既可应用于酸性体系电催化析氢、电催化析氧，亦可应用于水的光热蒸发如盐水淡化、污水处理等。本专利技术第一方面涉及一种碳化钨纳米阵列材料，其特征在于，包括基底材料和生长于基底材料上的碳化钨纳米阵列结构材料。所述阵列就是结构相似的单元有条理地排列。所述碳化钨纳米阵列结构材料可以为氮掺杂或非氮掺杂。当为氮掺杂的碳化钨纳米阵列结构材料时，一般氮元素占碳化钨纳米阵列结构材料的0.01～20wt％。优选地，所述基底材料只要能够在合成环境中稳定都可以使用，本专利技术所述基底材料为金属、石英玻璃、硅、陶瓷或碳材料中的一种或几种。优选地，所述碳化钨纳米阵列结构材料在XRD图谱中只有基底的特征峰、碳的特征峰和碳化钨的特征峰，氮掺杂的碳化钨纳米阵列结构材料也只有基底的特征峰、碳的特征峰和碳化钨的特征峰。优选地，所述碳化钨纳米阵列包括纳米线阵列、纳米带阵列、纳米柱状阵列或纳米蹼状阵列。本专利技术第二方面涉及一种碳化钨纳米阵列材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在含钨溶液中加入pH调节剂和形貌调节剂后再加入基底材料，在120℃～200℃条件下保持0.5～20h，冷却得到氧化钨纳米阵列材料。(2)将步骤(1)得到的氧化钨纳米阵列材料与碳源一起，在800℃～950℃和惰性气条件下保持0.5～3h即得到所述的碳化钨纳米阵列材料。在本专利技术的第二方面的优选实施方案中，步骤(1)所述的含钨溶液为钨酸溶液、钨酸铵溶液、钨酸钠溶液、氯化钨溶液中的一种或几种。优选地，所述pH调节剂为酸、碱、盐、氧化物的一种或几种，可以是但不限于硫酸、盐酸、磷酸、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或几种。所述形貌调节剂为易溶于相应溶液、在反应过程中不会沉淀出来的各种盐类，可以是但不限于硫酸钠、硫酸钾、氯化钠、氯化钾、硫酸铵或氯化铵的一种或几种。优选地，步骤(1)所述的基底材料为金属、石英玻璃、硅、陶瓷或碳材料中的一种或几种。优选地，步骤(2)所述的碳源为三聚氰胺、双氰胺、萜类中的一种或几种，所述萜类为樟脑、月桂烯、柠檬醛中的一种或几种。只要固体粉末具有热挥发性且含碳和氧、氢等元素就可用作本专利技术的碳源；当碳源中含有氮元素时，会有少量氮掺杂在碳化钨纳米阵列材料中，但不影响碳化钨的相种类。本专利技术第三方面涉及所述的碳化钨纳米阵列材料用于水的光热蒸发(诸如盐水淡化、污水处理)或在酸性条件下电催化析氢或电催化析氧的用途。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术的碳化钨纳米阵列材料的形貌新颖，为首次公开。碳化钨具有很好的光吸收特性。这与纳米阵列结构的减反作用、碳化钨本身的光吸收特性和等离子体共振效应相关。本专利技术的碳化钨纳米阵列材料的光吸收性能在整个太阳光谱范围内均大于98％。本专利技术的碳化钨纳米阵列材料的光谱吸收与纳米石墨进行光谱吸收的对比如图12所示。(2)本专利技术的碳化钨纳米阵列材料采用可挥发固体作为碳源，相对于利用氢气和甲烷作为碳源的碳化钨合成方法安全性提高。当碳源含氮元素时，还可以得到氮掺杂在碳化钨纳米阵列材料，而且氮掺杂完全不影响碳化钨纳米阵列材料纯相的性质。(3)本专利技术的碳化钨纳米阵列材料特别是氮掺杂在碳化钨纳米阵列材料作为在酸性条件下电催化析氢析氧的催化剂，性能优异。相对于贵金属来说成本低，相对于非贵金属来说高效稳定。(4)本专利技术的碳化钨纳米阵列材料可以用于氢气的生产、含酸废液的处理，以及用于水的光热蒸发如盐水淡化、污水处理等，高效、稳定，性能优异。附图说明图1为本专利技术的碳化钨纳米线阵列的扫描电子显微镜照片；图2为本专利技术的碳化钨纳米带阵列的扫描电子显微镜照片；图3为本专利技术的碳化钨纳米柱状阵列的扫描电子显微镜照片；图4为本专利技术的碳化钨纳米蹼状阵列的扫描电子显微镜照片；图5为本专利技术的以碳纤维纸为基底的碳化钨纳米阵列的XRD图谱；图6为本专利技术的氧化钨纳米带阵列的扫描电子显微镜照片；图7为本专利技术的碳化钨纳米阵列材料与铂碳对比的HER线性扫描极化曲线；图8为本专利技术的碳化钨纳米阵列材料催化HER在电流密度20mAcm-2和50mAcm-2的稳定性测试曲线；图9为本专利技术的碳化钨纳米阵列材料催化HER在电流密度60mAcm-2的稳定性测试曲线；图10为本专利技术的碳化钨纳米阵列材料催化HER在电流密度100mAcm-2的稳定性测试曲线；图11为本专利技术的碳化钨纳米阵列材料与氧化铱和铱碳催化剂对比的OER极化曲线；图12为本专利技术的碳化钨纳米阵列材料光谱吸收与纳米石墨光谱吸收的对比图；图13为本专利技术的碳化钨纳米阵列材料水蒸发与纳米石墨表面水蒸发、以及水表面蒸发的速率曲线对比图；图14为本专利技术的碳化钨纳米阵列材料光热蒸发处理海水、污水前后的离子浓度对比图。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术做进一步描述。需要说明的是，实施例不能作为对本专利技术保护范围的限制，本领域的技术人员理解，在本专利技术基础上所作的任何改进和变化都在本专利技术的保护范围之内。以下实施例所用化学试剂都是常规试剂，均可商购获得。本实施例的基底材料均为碳纤维纸，使用其他基底材料如金属、石英玻璃、硅、陶瓷等也可以得到同样的效果。实施例1取0.6g钨酸钠溶解于20ml水，使其形成均匀溶液。然后，在该溶液中加入100μl硫酸和0.2g无水硫酸钠混合均匀，放入反应釜的聚四氟乙烯内胆，在聚四氟乙烯内胆中加入碳纤维纸基底，密封内胆，密封反应釜，在200℃下水热反应18小时，然后冷却并取出样品。得到碳纤维纸基底氧化钨纳米阵列材料。在管式炉中放入2g樟脑、放入上述碳纤维纸基底氧化钨纳米阵列材料，通氩气保护，在950℃反应2小时，自然降温并取出样品。得到碳化钨纳米线阵列材料，如图1所示。图5为以碳纤维纸为基底的碳化钨纳米阵列的XRD图谱。从图谱中可以看出，只有基底碳纤维纸的特征峰、碳的特征峰和WC的特征峰。实施例2取0.5g氯化钨溶解于20ml水，均匀溶液。然后，在该溶液中加入115μl盐酸和0.2g氯化钾混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化钨纳米阵列材料，其特征在于，包括基底材料和生长于基底材料上的碳化钨纳米阵列结构材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳化钨纳米阵列材料，其特征在于，包括基底材料和生长于基底材料上的碳化钨纳米阵列结构材料。2.根据权利要求1所述的碳化钨纳米阵列材料，其特征在于，所述碳化钨纳米阵列结构材料为氮掺杂或非氮掺杂。3.根据权利要求1或2所述的碳化钨纳米阵列材料，其特征在于，所述基底材料为金属、石英玻璃、硅、陶瓷或碳材料中的一种或几种。4.根据权利要求1或2所述的碳化钨纳米阵列材料，其特征在于，所述碳化钨纳米阵列结构材料在XRD图谱中只有基底的特征峰、碳的特征峰和碳化钨的特征峰。5.根据权利要求1或2所述的碳化钨纳米阵列材料，其特征在于，所述碳化钨纳米阵列包括纳米线阵列、纳米带阵列、纳米柱状阵列或纳米蹼状阵列。6.一种碳化钨纳米阵列材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在含钨溶液中加入pH调节剂和形貌调节剂后再加入基底材料，在120℃～200℃下在密闭容器中水热反应0.5～20h，冷却得到氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓明，韩娜娜，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11