一个简单而碳化钒的合成纳米粒子的新路线

文摘

碳化钒(VC)纳米粒子是准备通过一个简单的和小说路线解决方案第一次燃烧合成法和碳热还原的还原方法。准备的前体包括片状粒子均匀分散的钒,氧气和碳。前驱粉末随后煅烧下氮在700 - 1200°C 3 h。减少碳热还原的过程中,相位变化从V2O5,携氧量,V2O3 VC。在1200°C的温度,VC的纯相位是成功的准备。准备VC纳米颗粒的大小小于30 nm。这种新方法准备纳米晶体VC适合大规模生产的VC纳米颗粒

关键字

VC纳米颗粒,碳热还原的降低、燃烧合成前体

介绍

碳化钒(VC)是特别重要的工业应用由于其优良的高温强度,高热和化学稳定性甚至在高温下(1- - - - - -5]。它被广泛用于切割材料,磨料和抗磨材料。同时,风险投资是一个极其艰难的耐火陶瓷材料,也可以作为添加剂tungstenbase和钛基细颗粒改善金属陶瓷的性质(6,7]。此外,VC展品催化行为,几乎堪比白金金属由于其类似的电子和磁性8- - - - - -10]。一些研究表明,钒碳化物更高效的催化剂比传统催化材料(镍、Pt、Rh等)对氮氢键活化由于扩大的d带会给钒碳化物的机会比铂族金属更好的电子受体(11]。由于其前途的性质和广泛的应用,是值得探讨的各种方法合成纳米晶体VC操作便利。一直在探索各种方法等的合成VC碳热还原的反应,直接元素反应,机械合金离子交换的路线和热分解precurs或等等。12- - - - - -16]。在这些方法中,最受欢迎的方法合成VC是碳热还原的还原,这个方法也被认为是一种经济商业生产方法(17,18]。

本文开发了一个简单的和方便的途径,结合溶液燃烧合成(SCS)和碳热还原的还原法VC纳米粒子做准备。溶液燃烧合成(SCS)是一个众所周知的方法制备纳米晶体的氧化物(19]。这种方法有很多优点。SCS的反应是一个放热反应。它节省了能源,因为驱动化学反应所需的热量是由本身而不是外部源;燃烧反应是瞬时;和生产表现出较高的比表面积,良好定义的化学成分和均匀分布的元素(20.- - - - - -22]。近年来,一些研究人员开始采用SCS法准备non-oxide陶瓷粉末。我们已经成功地合成氮化物的组合燃烧合成法和碳热还原的还原(23- - - - - -26]。在目前的工作,VC的合成纳米粒子由SCS和碳热还原的还原法首次研究。首先,混合均匀的氧化钒和碳前体被SCS准备。随后,准备的前身是VC颗粒碳热还原的减少。

实验部分

合成

前身是由SCS使用钒酸铵(NH₄签证官₃)、硝酸铵(NH₄没有₃)、甘氨酸(NH₂CH₂羧基)和葡萄糖(C₆H₁₂O·H₂O)为原料材料。分析试剂级化学品购买商业。作为一个典型的样品制备过程,5.8 g NH₄签证官₃,24 g NH₄没有₃12 g NH₂CH₂羧基和30 g C₆H₁₂O·H₂O是溶解在去离子水搅拌下获得一个氧化还原混合物。混合物被填充进一个玻璃,在空气中加热温控电气炉。实验现象与前面类似的报告(27,28]。整个过程只花了几分钟,导致脆弱的泡沫产品(前体)。前体的碳化是管式炉中进行。严格的温度在所有运行程序后,10 K的加热以恒定速率最小¹高原温度。前体煅烧在流动的N₂在不同温度下对3 h。

特征

产品是由x射线衍射仪分析了使用Cu-Kα(λ= 0.1542海里)辐射[x射线衍射(XRD);Rigaku D / max-RB12)和热重量分析法(TGA) /微分scanningcalorimetry (DSC) (MettlerToledo、瑞士)。准备产品的形态和粒径研究了扫描电子显微镜(SEM、地产- 5600)和透射电子显微镜(TEM, Tecnai G2 + 30 S-TWIN)。比表面积(SSA)的前身是由Brunauer-Emmett-Teller(打赌)方法使用一个自动化的表面积和孔隙大小分析仪(QUADRASORB SI-MP, Quantachrome仪器,博因顿海滩,FL)。x射线光电子能谱(XPS)进行了分析使用轴DLD超光谱仪配备一个Al Kαx射线源和静电半球形电子分析仪。

结果与讨论

制备的前驱

图1显示了x射线衍射(XRD)的模式由SCS前兆。这表明,V的前身是由₂O₅和签证官₂。众所周知,SCS本质上是一个氧化还原放热反应之间的氧化剂和还原剂。在加热过程中,钒酸铵之间的氧化还原反应,硝酸铵和甘氨酸发生。以一个简单的方式Eq.1描述了这个反应。因为从放热反应释放的能量,葡萄糖分解(Eq.2)和葡萄糖反应产生的碳与V₂O₅(Eq.3)。V₂O₅已经减少到签证官吗₂。与此同时,碳被氧化了的一部分,如Eq.4所示。通过这种方式,包含V的混合物的前兆₂O₅,签证官₂和碳。此外,解放了大量的气体在反应将有效地防止粒子的聚集,呈现多孔的形成,脆弱,泡沫,黑色的前兆。

图2介绍了扫描电镜图像的前兆。前体的多孔结构(图2),由片状粒子的平均厚度约2μm(图2 b)。比表面积的前身是6米²/ g。图3显示的地图分布V, O和C元素。很明显,前身有均匀分布的V, O和c之间的亲密接触和碳钒可以减少反应物的扩散距离,提高反应活性。雷竞技网页版

2 nh₄签证官c + 2₂H₅没有₂+ 12 nh₄没有→V₂O + 14 n₂+ 4有限公司₂+ 33 h₂O (1)

C₆H₁₂O₆→6 c + 6 h₂O (2)

V₂O₂+ C→2签证官₂+有限公司(3)

C + O→有限公司₂(4)

碳化钒的合成纳米颗粒

图4显示了TG和DSC曲线的前体N₂的气氛。很明显,样品经历~ 7%在300°C的质量损失由于吸附水蒸发。提高煅烧温度为1200°C, 68%的样本质量逐渐失去了大量和维护稳定。

图5演示产品的x射线衍射分析煅烧700 - 1200°C。样例,煅烧在700°C,由单相V₂O₃。它表明,前体减少V₂O₃。反应Eq.5所示。在900年和1100°C的温度,样品主要是由风投和V的弱衍射峰₂O₃也出现,表明V的转换₂O₃VC (Eq.6)。钒氧化物阶段不能检测到样品的x射线衍射模式煅烧在1200°C(图4)。所有的VC化合物形成强烈的反射峰可以被索引(PDF。65 - 8074年)和VC的纯相位是准备在1200°C。

利用XPS研究产品的组件和表面性质。图6展示了几个地区的XPS谱的产品准备在1200°C。广泛调查扫描(图6)确定钒(V 2 p)的存在,碳(C 1 s)和氧(O 1 s)。图6 b描述了V 2 p的XPS谱。峰在513.9和521.5 eV应该源于V 2 p3/2和2 p^1/2在手性组件分别为VC (29日]。峰值为516.2,517.4和523.7 eV被分配到V 2 p V的物种₂O₃,签证官₂和V₂O₅(30.]。在图6 cC 1 s轨道谱的峰值284.6 eV是由于自由表面碳产品和峰值282.5 eV是归因于光电子逐出碳钒晶格(16,30.]。两座山峰在286.3和288.6 eV被分配到氧气结合物种分别切断和C = O (31日]。高分辨率O 1 s频谱所示图6 d这表明氧物种不仅包括简单的晶格氧(529.5 eV),但也至少包括羟基氧(532.0 eV) (16,29日]。XPS结果确认风险的形成和VC的表面上有氧气由于暴露在空气中。类似的现象也被提到的其他研究16,29日]。

产品的形态扫描电镜和透射电镜研究了在不同温度下煅烧。所示图7,所有的煅烧产品展览板结构。从透射电镜图像(图8),它还可以观察到700°C的碳化产品煅烧是由20纳米的纳米颗粒。随着煅烧温度高达1200°C,粒子大小增加到25 ~ 30 nm。VC粒子的相对较低的增长率可以属性碳的均匀分布,从而抑制VC纳米粒子的生长在煅烧过程中。

图9显示碳化过程的反应机理。研究通过分析相变及显微组织演变。(一)燃烧合成后,钒氧化物(签证官₂和V₂O₅)和碳均匀分布和相互紧密联系。雷竞技网页版(b)由于钒氧化物的高接触面积和碳,碳原雷竞技网页版子不需要长距离扩散和V₂O₅和签证官₂V可以减少吗₂O₃在相对低的温度,从而验证了XRD的结果。在还原过程中,公司成立和逃离反应界面(eq。(5)和(6))。(c)与煅烧温度的增加,碳原子进入晶格并占领了大部分的氧原子的晶格位置,导致形成风险。因此,V的一部分₂O₃在样品的表面碳化VC。(d)当温度升高到1200°C时,碳原子继续进入晶格和V₂O₃已经完全碳化VC。

2签证官₂+ C₂→V₂O₃+公司(5)

V₂O₅+ 2 c→V₂O₃+ 2有限公司(6)

V₂O + 5 c→2 vc + CO (7)

结论

碳化钒(VC)纳米粒子是准备通过一个简单的和小说路线的碳热还原的还原燃烧合成前体。均匀的前体被溶液燃烧合成准备在几分钟内使用钒酸铵、硝铵,甘氨酸和葡萄糖为原料。的前身随后在1200°C下煅烧氮和VC的纯相位是成功的准备。准备VC纳米颗粒的大小是小于30 nm。它提供了一种新方法制备纳米晶体VC和适用于大规模生产的VC纳米颗粒。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金项目(50802006)和(51172017)、国家863项目(2013 aa031101)和科学基金会项目的攀枝花(2014 cy-g-26-2)。

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