利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法技术

本发明专利技术涉及过渡金属碳化物粉体材料制备技术领域，具体来讲，涉及一种利用熔盐歧化反应原位制备ZrC、HfC或VC粉体的方法。所述方法包括：根据化学计量比，直接形成原料混合物，过渡金属碳化物的结构式为MC，其中，M为过渡金属元素锆、铪或钒，C为碳元素；惰性气氛下，将原料混合物在熔融熔盐中反应，反应结束后冷却，得产物混合物；去除产物混合物中的熔盐，得ZrC、HfC或VC粉体。本发明专利技术能够解决现有的ZrC、HfC或VC粉体合成温度高、制备工艺和设备复杂且成本高、形貌和尺寸不可控等问题中的一项或多项，并且具有快速、高效、节能、环保、成本低廉又易于实现大规模生产等优点。

In situ preparation of zirconium carbide, hafnium or vanadium powder by molten salt disproportionation

【技术实现步骤摘要】
利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法
本专利技术涉及过渡金属碳化物粉体材料制备
，具体来讲，涉及一种利用熔盐歧化反应原位制备ZrC、HfC或VC粉体的方法。
技术介绍
过渡金属碳化物ZrC、HfC和VC是一类具有很高的熔点、硬度、良好的导电导热性、化学稳定性以及极高的热稳定性和机械稳定性等特点的物质，正是这些性质使得它们被广泛应用于冶金、机械、电子、核工业、生物材料和航空航天等领域。此外，过渡金属碳化物因其独特的电子结构和优良的催化性能，在催化学科中作为一类催化新材料引起人们的极大关注，为过渡金属碳化物的研究和发展拓展一个全新的领域。在贵金属催化的许多反应中，过渡金属碳化物都表现出较好的催化活性，可与贵金属铂、铱、钌等相媲美，因此过渡金属碳化物又被誉为类贵金属化合物。然而，具有理想尺寸以及可控形貌的粉体是制备上述先进碳化物材料的基础。目前，制备过渡金属碳化物ZrC、HfC和VC粉体的方法主要有：高能球磨、自蔓延高温合成、激光气相反应、低温合成、碳热还原法、化学气相沉积法等。但是，高能球磨法消耗大量能量且易引入杂质；自蔓延高温合成反应过程不易控制，影响产物的性能；激光气相反应设备原料昂贵，生产成本高；低温合成方法影响因素多，产品纯度不理想。碳热还原反应所用原料较廉价，生产工艺简单，适合工业生产，但是由于原料混合的均匀度不够理想和反应的不完全而使合成的粉体纯度不高。此外，这些方法制备的ZrC、HfC和VC粉体由于高温烧结作用多为微米级粉体，且颗粒之间团聚严重很难对其形貌进行控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够低能耗和(或)低成本地利用熔盐歧化反应原位制备ZrC、HfC或VC粉体的方法，解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本专利技术的目的之一在于解决现有ZrC、HfC或VC粉体合成温度高、制备工艺和设备复杂、以及成本高、形貌和尺寸难以控制等问题中的一项或多项。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，包括以下步骤：根据过渡金属碳化物的化学计量比，直接将第一原料粉末与第二原料混合形成原料混合物，其中，所述第一原料为碳材料，所述第二原料含有能够进行歧化反应的Zr的两种价态、Hf的两种价态或V的两种价态，所述过渡金属碳化物的结构式为MC，其中，M为过渡金属元素锆、铪或钒，C为碳元素；在惰性气氛下，将所述原料混合物在熔融态熔盐中反应，待反应结束后冷却，获得含有反应产物与固态熔盐的混合物；去除反应产物与固态熔盐的混合物中的熔盐，得到ZrC、HfC或VC粉体。所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，该方法通过控制所述碳材料的尺寸和形貌来获得具有期望尺寸和形貌的ZrC、HfC或VC粉体。所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，该方法通过控制所述碳材料的尺寸为毫米尺度、微米尺度或纳米尺度来分别获得具有相应尺寸的ZrC、HfC或VC粉体。所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，第一原料为纳米尺度碳材料、微米尺度碳材料和毫米尺度的碳材料中的一种或两种以上。所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，第二原料为从由(1)元素M的单质；(2)元素M的单质与M的氯化物盐或氟化物盐；(3)元素M的单质与氯化铵或氟化铵；(4)元素M的单质与M的氧化物和氯气；(5)元素M的单质与M的氧化物和卤化氢组成的组群中选择的至少一种，所述卤化氢气体为氯化氢和氟化氢中的一种或两种，所述反应的方式如下：式1：M+Mi+→Mj+；式2：Mj++C→Mi++MC；其中，Mi+表示M的高价态离子，Mj+表示M的中间价态离子，且i大于j。所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，反应的温度为800℃以上。所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，反应的温度为850℃～1000℃。所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，原料混合物的重量为熔融态熔盐重量的2～80％。所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，原料混合物的重量为熔融态熔盐重量的5～60％。所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，熔盐为一元或二元及以上的金属氯化物或氟化物熔盐。与现有技术相比，本专利技术的优点及有益效果包括以下中的至少一项：原料成本和工艺成本低廉、工艺流程简单、安全可靠、绿色无污染、便于大规模生产、产品形貌和尺度可控等。附图说明通过下面结合附图进行的描述，本专利技术的上述和(或)其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：图1示出本专利技术ZrC、HfC或VC粉体材料的一个示例性实施例的流程示意图。图2示出根据本专利技术的制备方法的一个示例性实施例制得的ZrC纳米粉体的XRD图谱；图中，横坐标2θ代表衍射角(degree)，纵坐标Intensity代表强度。图3示出图2中的ZrC纳米粉体的SEM图。图4示出根据本专利技术方法的另一个示例性实施例制得的VC纳米粉体的XRD图谱；图中，横坐标2θ代表衍射角(degree)，纵坐标Intensity代表强度。图5示出图4中的VC纳米粉体的SEM图。具体实施方式在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本专利技术的ZrC、HfC或VC粉体的制备方法。图1示出本专利技术ZrC、HfC或VC粉体的制备方法的一个示例性实施例的流程示意图。如图1所示，在本专利技术的一个示例性实施例中，ZrC、HfC或VC粉体的制备方法可通过以下步骤来实现：(1)形成原料混合物根据ZrC、HfC或VC粉体的化学计量比，直接将第一原料粉末与第二原料混合形成原料混合物，且第一原料为碳材料。其中，过渡金属碳化物的结构式为MC，M为过渡金属元素锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)，C为碳元素。在一个示例性实施例中，第二原料可以通过ZrC、HfC或VC的化学计量比来确定其种类和在原料混合物中的配比，第二原料可以包括一种物质或两种以上的物质。值得注意的是，在形成原料混合物的过程中，直接对第一原料粉末和第二原料进行混合即可，而无需对原料及其混合物进行预处理(例如，球磨、预烧结、压制成型)，也无需形成前驱体。这有利于提高生产效率，降低生产成本。具体来讲，可通过将第一原料的粉末和第二原料直接混合来获得原料混合物。第一原料粉末可以为诸如石墨烯、纳米碳管、纳米尺度碳颗粒等纳米尺度的碳材料粉末，也可以为微米尺度的碳材料粉末，也可以为毫米尺度的碳材料颗粒。例如，第一原料粉末可以为导电碳黑、乙炔黑、中孔碳、微孔碳球、层次孔碳、活性碳、空心碳球、无定形碳或碳纤维中的一种或多种。所述第二原料含有能够进行歧化反应的Zr的两种价态、Hf的两种价态或V的两种价态。第二原料可以为从由(1)元素M的单质(自身能够被腐蚀为高价态)；(2)元素M的单质与M的氯化物盐(或氟化物盐)；(3)元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n根据过渡金属碳化物的化学计量比，直接将第一原料粉末与第二原料混合形成原料混合物，其中，所述第一原料为碳材料，所述第二原料含有能够进行歧化反应的Zr的两种价态、Hf的两种价态或V的两种价态，所述过渡金属碳化物的结构式为MC，其中，M为过渡金属元素锆、铪或钒，C为碳元素；/n在惰性气氛下，将所述原料混合物在熔融态熔盐中反应，待反应结束后冷却，获得含有反应产物与固态熔盐的混合物；/n去除反应产物与固态熔盐的混合物中的熔盐，得到ZrC、HfC或VC粉体。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据过渡金属碳化物的化学计量比，直接将第一原料粉末与第二原料混合形成原料混合物，其中，所述第一原料为碳材料，所述第二原料含有能够进行歧化反应的Zr的两种价态、Hf的两种价态或V的两种价态，所述过渡金属碳化物的结构式为MC，其中，M为过渡金属元素锆、铪或钒，C为碳元素；
在惰性气氛下，将所述原料混合物在熔融态熔盐中反应，待反应结束后冷却，获得含有反应产物与固态熔盐的混合物；
去除反应产物与固态熔盐的混合物中的熔盐，得到ZrC、HfC或VC粉体。


2.根据权利要求1所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，其特征在于，该方法通过控制所述碳材料的尺寸和形貌来获得具有期望尺寸和形貌的ZrC、HfC或VC粉体。


3.根据权利要求1所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，其特征在于，该方法通过控制所述碳材料的尺寸为毫米尺度、微米尺度或纳米尺度来分别获得具有相应尺寸的ZrC、HfC或VC粉体。


4.根据权利要求1所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的方法，其特征在于，所述第一原料为纳米尺度碳材料、微米尺度碳材料和毫米尺度的碳材料中的一种或两种以上。


5.根据权利要求1所述的利用熔盐歧化反应原位制备碳化锆、铪或钒粉体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘会军，杨凌旭，曾潮流，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21