一种采用低功函金属粉末增强氮化合成金属氮（氧）化物的方法技术

本发明专利技术属于材料合成领域，具体涉及一种采用低功函金属粉末增强氮化合成金属氮(氧)化物的方法。所述方法包括以下步骤：(1)将低功函金属粉末与金属氧化物进行研磨混合；(2)将混合后的粉末置于管式炉进行氮化，通入氨气，将管式炉升温至600～850℃，氮化时间为1～10h，随后自然降温至室温，取出反应产物；(3)将步骤(2)得到的反应产物进行酸洗，随后过滤、水洗、烘干，得到金属氮(氧)化物。本发明专利技术相比于不加金属粉末的传统高温氨气流氮化方法，可以在相对较低的温度下和较短的时间内合成金属氮(氧)化物，且可以合成传统氮化方法未能合成的金属氮(氧)化物。金属氮(氧)化物。金属氮(氧)化物。

【技术实现步骤摘要】
一种采用低功函金属粉末增强氮化合成金属氮(氧)化物的方法


[0001]本专利技术属于材料合成领域，具体涉及一种采用低功函金属粉末增强氮化合成金属氮(氧)化物的方法。

技术介绍

[0002]金属氮(氧)化物应用广泛，可用作陶瓷材料、涂层材料、催化材料等等。其中部分金属氮(氧)化物呈现鲜艳的颜色，可用作染料，且部分金属氮(氧)化物具有极好的宽光谱吸收能力，在光催化的研究中也有着广阔的前景(参阅文献：Coordination Chemistry Reviews 257(2013)1957
‑
1969)。
[0003]目前合成金属氮(氧)化物的方法十分有限，主流方法是采用氨气流在高温下进行渗氮作用从而实现在金属氧化物中引入氮原子。由于大部分金属氧化物中的金属原子同氧原子的共价键结合非常强，比如：ZrO2、SrTiO3、YTaO4等等。金属氧键结合越强，采用传统的高温氨气流氮化方法所需的氮化时间就越长(通常长达20～50h)，且氮化温度也要求越高(通常高达900～1200℃左右)。例如：SrTiO3即使在高温下进行长时间氮化，氮原子掺杂进入SrTiO3晶格的量也低于0.5％(原子比)。此外，有一类方法是采用尿素作为氮源，在氮气流下进行高温反应，反应温度高达900℃，该方法所需的尿素量比较大，且很容易引入杂质相和积碳(参阅文献：Inorg.Chem.2021,60,4852
‑
4859)。由此可见，开发更高效的氮化过程是金属氮(氧)化物合成领域的重要内容，具有重要科学意义和环境、经济等实用价值。

技术实现思路

[0004]针对现有氮化方法的局限性，本专利技术采用低功函金属粉末实现对金属含氧化物的强化氮化，提供了一种反应温度较低、反应时间较短、适用于很多氮(氧)化物合成的普适性氮化合成新方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种采用低功函金属粉末氮化合成金属氮(氧)化物的方法，所述方法包括以下步骤：
[0007](1)将低功函金属粉末与金属氧化物进行研磨混合；
[0008](2)将混合后的粉末置于管式炉进行氮化，通入氨气，将管式炉升至600～850℃，氮化1～10h，随后自然降温至室温，取出反应产物；
[0009](3)将步骤(2)得到的反应产物进行酸洗，随后过滤、水洗、烘干，得到金属氮(氧)化物。
[0010]上述技术方案，优选地，所述低功函金属为功函值低于5eV的金属。
[0011]上述技术方案，优选地，所述低功函金属包括Mg、Al、Zn、Zr中任意一种。
[0012]上述技术方案，优选地，所述金属氧化物包括ZrO2、Ta2O5、HfO2、SrTiO3、SmTaO4、Y2Zr2O7中任意一种。
[0013]上述技术方案，优选地，所述低功函金属粉末与金属氧化物的质量比为0.1～10：1。
[0014]上述技术方案，优选地，所述步骤(1)中低功函金属粉末与金属氧化物的混合采用研钵研磨进行机械混合。
[0015]上述技术方案，优选地，所述低功函金属粉末与金属氧化物进行混合所采用的研钵为玛瑙研钵、陶瓷研钵、玻璃研钵或氧化锆研钵。
[0016]上述技术方案，优选地，所述步骤(2)中氮化温度为600～800℃，氮化时间为1～5h。
[0017]上述技术方案，优选地，所述步骤(2)中氨气流速为50～5000mL
·
g
‑1·
min
‑1。
[0018]上述技术方案，优选地，所述步骤(3)中采用浓度为0.1～5mol/L的盐酸、硫酸、硝酸或高氯酸进行酸洗。
[0019]本专利技术的有益效果为：
[0020]本专利技术所述氮化方法简单，普适性强，具有推广性。与现有技术相比，本专利技术所述金属粉末辅助氮化方法具有如下优点及特征：
[0021]1、方法适用性更广，适用于很多难氮化金属氧化物的氮化过程，比如SrTiO3和Y2Zr2O7等；
[0022]2、氮化温度更低，相比于传统氮化方法温度降低200～300℃；
[0023]3、氮化时间更短，能耗更低。
附图说明
[0024]图1为实施例1合成的氮氧化物Zr2ON2的扫描电镜图；
[0025]图2为实施例1合成的氮氧化物Zr2ON2的XRD谱图；
[0026]图3为实施例1合成的氮氧化物Zr2ON2的UV
‑
Vis吸收光谱；
[0027]图4为实施例2合成的Ta3N5的XRD谱图；
[0028]图5为实施例2合成的Ta3N5的扫描电镜图；
[0029]图6为实施例3合成的氮氧化物Hf2ON2的XRD谱图；
[0030]图7为实施例4合成的氮氧化物SrTiO3‑
x
N
y
的XRD谱图；
[0031]图8为实施例4合成的SrTiO3‑
x
N
y
的UV
‑
Vis吸收光谱图；
[0032]图9为实施例5合成的SmTaON2的XRD谱图；
[0033]图10为实施例5合成的SmTaON2的UV
‑
Vis吸收光谱图；
[0034]图11为实施例6合成的氮掺杂氮氧化物Y2Zr2O7‑
x
N
y
的UV
‑
Vis吸收光谱图。
具体实施方式
[0035]下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0036]实施例1
[0037]1)将Mg粉和4倍于Mg粉质量的ZrO2混合，在玛瑙研钵中手动研磨30min；
[0038]2)将混合后的粉末置于刚玉瓷舟中，将瓷舟投入管式炉中心温控区，采用氨气流速5000mL
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g
‑1·
min
‑1，以1℃
·
min
‑1升温至750℃，氮化反应3h；
[0039]3)将氮化后的粉末取出，用5mol/L的硝酸搅拌洗涤，随后用水洗至中性，烘干即得Zr2ON2固体粉末。
[0040]图1为实施例1合成的氮氧化物Zr2ON2的扫描电镜图，由图1可以看出，其呈现纳米颗粒的堆积形态；图2为实施例1合成的氮氧化物Zr2ON2的XRD谱图，其与Zr2ON2标准卡片(PDF#89
‑
8344)的衍射峰完全对应，证明合成出纯相的Zr2ON2；图3实施例1合成的氮氧化物Zr2ON2的UV
‑
Vis吸收光谱，其吸收边拓展至500nm，呈现亮黄色。
[0041]实施例2
[0042]1)将Al粉和2倍于Al粉质量的Ta2O5混合，在陶瓷研钵中手动研磨10min；
[0043]2)将混合后的粉末置于刚玉瓷舟中，将瓷舟投入管式炉中心温控区，采用氨气流速2000mL
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g...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用低功函金属粉末氮化合成金属氮(氧)化物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将低功函金属粉末与金属氧化物进行研磨混合；(2)将混合后的粉末置于管式炉进行氮化，通入氨气，将管式炉升至600～850℃，氮化1～10h，随后自然降温至室温，取出反应产物；(3)将步骤(2)得到的反应产物进行酸洗，随后过滤、水洗、烘干，得到金属氮(氧)化物。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低功函金属为功函值低于5eV的金属。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述低功函金属包括Mg、Al、Zn、Zr中任意一种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物包括ZrO2、Ta2O5、HfO2、SrTiO3、SmTaO4、Y2Zr2O7中任意一种。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低功...

【专利技术属性】
技术研发人员：章福祥，鲍云锋，邹海，辛学尚，王硕文，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：