一种制备金属碳化物或碳包覆金属碳化物的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备金属碳化物或碳包覆金属碳化物的方法。本发明专利技术将金属盐粉末在高温焙烧形成金属氧化物前驱物，以液态含碳化合物作为液态碳源与金属氧化物前驱物进行还原和碳化反应而制备金属碳化物或碳包覆金属碳化物，在减少碳源用量的同时降低了原料成本，降低了设备的要求，提高了制备过程中的安全性，可以进行规模化制备。该方法在不增加工艺流程的基础下，通过控制液态碳源与氧化物的用量比例即可实现对金属碳化物的碳包覆，操作方法简单，碳包覆厚度可控，包覆率高。制备得到的金属碳化物或碳包覆金属碳化物为100～200nm的纳米颗粒，大小均一，具有良好的电催化性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于催化剂材料及硬质合金制备
，特别涉及。
技术介绍
金属碳化物作为一种硬质合金材料，具有高熔点、高硬度、热稳定、机械稳定等优点，广泛的应用于金属陶瓷、机械加工、冶金、航空航天领域。在20世纪70年代，研究发现金属碳化物表面电子层与钼类似，在某些反应中具有类钼的催化活性。因此，金属碳化物作为一种性能优良的非贵金属催化材料也被应用于烃的加氢/脱氢、烃的异构化、氧化反应及电催化等领域。金属碳化物的制备有物理和化学两种方法。物理方法主要采用高温球磨法，而化学方法则包括碳热还原反应法、直接碳化法、化学气相沉淀法、电弧法和溶胶凝胶法。其中化学气相沉积法是制备纳米金属碳化物的重要方法之一。传统的化学气相沉积法以气体烃类为碳源、金属盐或氧化物为前驱体，在1000°C左右的高温下生成金属碳化物。此法合成的金属碳化物纯度高，颗粒大小合适，但由于以气体烃类为碳源，具有原料浪费严重、成本高、生产过程危险、设备要求高的缺点，难以大规模应用。现有的金属碳化物多以球墨法、碳热还原反应法或溶胶凝胶法进行制备，而化学气相沉积法较少。球墨法是一种机械制备法，碳热还原反应法是一种将炭黑与钨源混合高温热还原的方法，而溶胶凝胶法则是将有机碳源和钨源混合制备溶胶再高温碳化物的方法；上述方法耗能高、产量低，难以进行规模化生产。碳包覆的纳米材料已成为科学界的研究热点，碳包覆既保留了纳米颗粒的电学、光学、磁学、催化等性能，又提高了颗粒的稳定性、耐酸碱性，赋予颗粒表面功能化等性能，拓展了其在催化剂、生物医药、环境等领域的应用。目前碳包覆的方法有水热法，共沉淀法、热分解法、电弧法和爆炸法等。热分解法是常用的碳包覆的方法，该法将有机碳源与材料混合后高温热解而实现碳包覆。上述方法工艺复杂、反应时间长、耗能高、产量低，限制了碳包覆纳米材料的规模化生产。`
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供。本专利技术的目的通过下述技术方案实现:，包括以下步骤:(I)将金属盐粉末置于马弗炉中，空气气氛下以5 15°C /min的升温速率升温至500 800°C，焙烧3 8h，冷却至室温，得到金属氧化物前驱体；(2)将步骤(I)制备的金属氧化物前驱体置于管式炉中，通入氩气(Ar)，以5 15°C /min的升温速率升温至800 1000°C，然后以5 15ml/h注入液态碳源，保持温度至注入结束，冷却至室温，得到金属碳化物或碳包覆金属碳化物；每克金属氧化物前驱体加入5 30mL液态碳源；步骤(I)中所述的金属盐为铁盐、钴盐、镍盐、钨盐或钥盐中的一种或两种混合物，优选为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、仲钨酸铵或钥酸铵；步骤(2)中:所述的液态碳源为液态含碳化合物，优选为无水乙醇、丙酮、甲苯或二甲苯；所述的液态碳源为无水乙醇时，每克金属氧化物前驱体加入无水乙醇的体积低于或等于20ml时，得到金属碳化物；每克金属氧化物前驱体加入无水乙醇的体积高于20ml时，得到碳包裹金属碳化物；所述的液态碳源为甲苯时，每克金属氧化物前驱体加入甲苯的体积低于或等于IOml时，得到金属碳化物；每克金属氧化物前驱体加入甲苯的体积高于IOml时，得到碳包裹金属碳化物；所述的液态碳源为丙酮时，每克金属氧化物前驱体加入丙酮的体积低于或等于15ml时，得到金属碳化物；每克 金属氧化物前驱体加入丙酮的体积高于15ml时，得到碳包裹金属碳化物；所述的液态碳源为二甲苯时，每克金属氧化物前驱体加入二甲苯的体积低于或等于9ml时，得到金属碳化物；每克金属氧化物前驱体加入二甲苯的体积高于9ml时，得到碳包裹金属碳化物；本专利技术的专利技术机理:金属盐粉末在高温焙烧形成金属氧化物前驱物，液态含碳有机物在高温无氧条件下发生裂解反应生成碳和氢气；氢气具有还原性将金属氧化物还原，同时高温下裂解产生的碳将被还原的金属碳化为金属碳化物；如果液态碳源和金属氧化物用量比例超过一定数值，即通入过量的液态碳源，裂解生成过量的碳，过量的碳将会包覆金属碳化物，形成碳包覆金属碳化物。决定生成金属碳化物或碳包裹金属碳化物的液态碳源和金属氧化物的用量比例因所用碳源不同而不同。液态碳源为无水乙醇时，每克金属氧化物前驱体加入无水乙醇的体积低于或等于20ml时，得到金属碳化物，每克金属氧化物前驱体加入无水乙醇的体积高于20ml时，得到碳包裹金属碳化物；液态碳源为甲苯时，每克金属氧化物前驱体加入甲苯的体积低于或等于IOml时，得到金属碳化物，每克金属氧化物前驱体加入甲苯的体积高于IOml时，得到碳包裹金属碳化物；液态碳源为丙酮时，每克金属氧化物前驱体加入丙酮的体积低于或等于15ml时，得到金属碳化物，每克金属氧化物前驱体加入丙酮的体积高于15ml时，得到碳包裹金属碳化物；液态碳源为二甲苯时，每克金属氧化物前驱体加入二甲苯的体积低于或等于9ml时，得到金属碳化物，每克金属氧化物前驱体加入二甲苯的体积高于9ml时，得到碳包裹金属碳化物。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果:(I)与传统的气相沉积法相比较，本专利技术以液态含碳化合物作为液态碳源与金属盐进行还原和碳化反应而制备金属碳化物或碳包覆金属碳化物，在减少碳源用量的同时降低了原料成本，降低了设备的要求，提高了制备过程中的安全性，可以进行规模化制备。(2)本专利技术在不增加工艺流程的基础下，通过控制液态碳源与氧化物的用量比例即可实现对金属碳化物的碳包覆，操作方法简单，碳包覆厚度可控，包覆率高。制备得到的金属碳化物或碳包覆金属碳化物为100 200nm的纳米颗粒,大小均一,具有良好的电催化性能。附图说明图1为实施例1中碳化钨的SEM图。图2为实施例1中碳化鹤的X衍射图，其中:籲为碳化鹤。 图3为实施例2中碳包覆碳化钨钴的SEM图。图4为实施例2中碳包覆碳化钨钴的TEM图。图5为实施例2中碳包覆碳化钨钴的X衍射图，其中:.为碳化钨，▽为碳化三钨三钴，■为石墨碳， 为钴。图6为实施例2中碳包覆碳化钨钴的X射线光电子能谱图。图7为实施例3中碳包覆碳化钨钥的SEM图。图8为实施例4中碳化钥的SEM图。图9为实施例5中碳包覆碳化钥镍的X衍射图，其中:▲为碳， 为碳化三钥三镍，■为碳化二钥。 具体实施例方式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。实施例1(I)将3g仲钨酸铵置于马弗炉中，以5°C /min升温速率升温至500°C，空气气氛下保持500°C焙烧3h，得到氧化钨粉末前驱体；(2)将步骤(I)制备的氧化钨前驱体(2g)置于管式炉中，通入Ar保护气，以5°C /min升温速率升温至800°C，然后采用注射泵以5ml/h速度将IOml无水乙醇注入管式炉中，保持温度直到注射完毕，管式炉降至室温后停止Ar通入，得到碳化钨(WC)；所述的碳化钨的SEM图如图1所示，从图1可以看到，碳化钨的颗粒分布均匀，直径为200nm ;碳化钨的X衍射图如图2所示，从图2的晶相分析可知该样品主要为碳化钨。实施例2(I)将3g仲钨酸铵和4g硝酸钴混合溶解于40ml去离子水中，常温搅拌2h后真空干燥6h，得到混合均匀的仲钨酸铵和硝酸钴，然后置于马弗炉中，以10°C /min的升温速率升温至700°C，空气气氛下保持700°C焙烧5h，得到氧化钨和氧化钴混合粉末前驱体；(2)将步骤(I)制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备金属碳化物或碳包覆金属碳化物的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将金属盐粉末置于马弗炉中，空气气氛下以5～15℃/min的升温速率升温至500～800℃，焙烧3～8h，冷却至室温，得到金属氧化物前驱体；（2）将步骤（1）制备的金属氧化物前驱体置于管式炉中，通入氩气，以5～15℃/min的升温速率升温至800～1000℃，然后以5～15ml/h注入液态碳源，保持温度至注入结束，冷却至室温，得到金属碳化物或碳包覆金属碳化物；每克金属氧化物前驱体加入5～30mL液态碳源。

【技术特征摘要】
1.一种制备金属碳化物或碳包覆金属碳化物的方法，其特征在于包括以下步骤: (1)将金属盐粉末置于马弗炉中，空气气氛下以5 15°C/min的升温速率升温至500 800°C，焙烧3 8h，冷却至室温，得到金属氧化物前驱体； (2)将步骤(1)制备的金属氧化物前驱体置于管式炉中，通入氩气，以5 15°C/min的升温速率升温至800 1000°C，然后以5 15ml/h注入液态碳源，保持温度至注入结束，冷却至室温，得到金属碳化物或碳包覆金属碳化物；每克金属氧化物前驱体加入5 30mL液态碳源。2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红娟，钟国玉，彭峰，余皓，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：