CN104357937A - 一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,属纳米材料技术领域。本发明以水溶性钼酸盐作为钼源,以水溶性高分子聚合物为碳源,在室温下溶解、混合均匀,用静电纺丝的方法制备钼酸盐纳米纤维。通过在惰性气氛或者还原性气氛中煅烧,同时实现高温热分解、还原、碳化,一步得到碳化钼多孔纳米纤维。这种方法以廉价钼酸盐以及水溶性高分子聚合物为原料,与工业上相对成熟的静电纺丝技术巧妙结合,制备效率以及产品质量高,成本低,简单易控,对环境友好无污染,适合工业化生产。在催化剂、电极材料、超级电容器、传感器等诸多领域中有重要的应用价值和和产业化前景。

Description

一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法
技术领域
本发明涉及制备纳米纤维的方法,具体涉及一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,属于纳米材料技术领域。
背景技术
碳化钼具有高熔点,高硬度,良好的导电导热性能以及极高的热、化学稳定性。近年来,因其独特的类贵金属的电子结构和催化性能、抗硫和抗积碳性质,成为最有应用前景的催化材料之一。特别是钼的原料较为便宜易得,在节约贵金属宝贵资源,降低催化反应成本方面具有重要意义。目前以钼等过渡金属为代表的碳化物催化剂在甲醇燃料电池,石油及煤化工的加氢脱硫、加氢脱氮等一系列加氢处理的应用,将为天然气高效利用,发展氢能源生产绿色清洁燃料,解决工业和汽车排放导致的环境问题提供解决方案。
目前碳化钼材料的合成,多由钼的氧化物作为钼源,在碳源如固态C、气态CO、烃类或CH4/H2等存在的条件下,经过高温碳化制得。但合成的样品基本为粉末样品,且存在温度高、表面积碳严重、颗粒烧结团聚,实用性不强,量产困难等缺点。碳化钼纳米纤维的制备,跟粉末样品相比更受局限。仅有的少量报道前驱体制备复杂,操作繁琐。比如,首先通过控制反应条件制备氧化钼的纳米线,或者通过化学方法合成钼酸盐与有机胺的复合纳米线,再通过高温煅烧碳化最终得到碳化钼纳米线。这些制备前驱体纳米线的方法,存在条件苛刻,反应不充分,产率不高,产量小等难题。
因此,开发简单经济的合成方法,制备比表面大,性能优异,且尺寸可控的纳米碳化钼新型催化剂材料,是目前该领域的最有意义的研究课题之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于:提供一种简单易控、经济合理、环境友好、产率高、易批量化的碳化钼纳米纤维的合成方法。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是:以水溶性高分子为碳源,以水溶性钼酸盐作为钼源,以静电纺丝获得纳米纤维。静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,具体包括下述步骤:
(1)将钼酸盐溶于水中得到钼酸盐溶液;
(2)将高分子聚合物溶于水中配成一定浓度的溶液;
(3)将步骤(1)和步骤(2)所获的两种溶液混匀,钼酸盐与高分子的质量比率可调,为0.1~10:1;
(4)步骤(3)得到的混合溶液,调节混合溶液中高分子的浓度,使浓度适合静电纺丝,得到静电纺丝前驱体溶液;
(5)将步骤(4)得到的前驱体溶液,装入注射器针管中,将高压正极与注射器不锈钢针头连接,负极与收集板连接,调节收集板与针头之间的距离,调节针头微量泵进样速率,提供一定范围的高压电压,纺丝一定的时间,在收集板上得到钼酸盐与高分子聚合物的复合纳米纤维薄膜;
(6)将步骤(5)得到的复合纳米纤维薄膜放入管式炉内,以一定的速率升温至一定的温度,在惰性气氛或惰性气体与氢气混合的还原气氛中煅烧,得到具有自支撑特性的碳化钼纳米纤维薄膜。
步骤(1)中的钼酸盐,包括钼酸铵、钼酸钠、钼酸钾等。
步骤(2)中的聚合物为所有能溶于水的高分子,例如:聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等。
步骤(4)中的静电纺丝前驱体溶液,高分子浓度为适合静电纺丝的范围,受所采用的聚合物分子量、密度、pH值、水溶性等的性质影响,多在8wt%~20wt%范围。
步骤(5)中,收集板与针头之间的距离可调,按照前驱体及纺丝纤维的性质不同,合适距离在5~50厘米。
步骤(5)中,电压范围可调,受纺丝条件影响,多在5~50kV。
步骤(5)中,微量泵进样速度可调,多在0.001~5ml/h范围。
步骤(5)中,静电纺丝的时间越长,收集板上得到的纤维厚度越大,根据产品的性能需求,一般在1小时以上。
步骤(6)中,管式炉煅烧惰性气氛为氩气、氮气或者氮气与氩气的混合气体。惰性气体与氢气混合还原气氛中氢气与惰性气体的体积比为1:0.1~100。
步骤(6)中,管式炉煅烧条件为:从常温以1~20℃/min速率升温至150~350℃,保持恒温煅烧1~2小时;然后以1~20℃/min速率升温至550~1000℃,保持恒温煅烧2~3小时;最后以1~20℃/min速率降温至常温。这样获得的碳化钼纳米纤维性能较佳。
当纺丝前驱体中高分子含量较高时,得到的纳米纤维首先在空气中以100~350℃的温度范围进行预氧化处理一定的时间,再按上述步骤(6)进行煅烧处理。
本发明方法制备的碳化钼纳米纤维由碳化钼纳米粒子组成,碳化钼颗粒小,整体表现自支撑的二维纳米纤维薄膜,有利于材料在使用过程中的操作及多次回收重复使用;同时,纺丝纳米纤维之间以及组成纳米纤维的碳化钼纳米粒子之间存在孔隙,有利于催化剂的二次组装,以及共催化剂的负载,创造具有独特空间结构的多级有序催化材料。本发明方法与静电纺丝方法巧妙结合,制备条件简单易控,工艺条件成本低,制备效率以及产品质量高,有良好的应用和产业化前景。
此外,该方法具有普适性,通过改变发明中的钼酸盐为其它的金属盐种类(钨酸盐),可以提供一系列新颖的具有类贵金属性能的能源催化转化碳化物催化材料,控制所获得催化材料组成和性质,进一步调变所形成催化剂的催化行为。该发明方法对材料的合成方法学以及催化剂设计具有广泛的意义。
附图说明
图1为本发明实施例1静电纺丝后在收集板上得到钼酸盐与高分子聚合物的复合纳米纤维的低倍率扫描电镜照片;
图2为本发明实施例1静电纺丝后在收集板上得到钼酸盐与高分子聚合物的复合纳米纤维的高倍率扫描电镜照片;
图3为本发明实施例1得到的碳化钼纳米纤维的低倍率扫描电镜照片;
图4为本发明实施例1得到的碳化钼纳米纤维的高倍率扫描电镜照片;
图5为本发明实施例1得到的碳化钼纳米纤维的X射线粉末衍射图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行了详细描述。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是为了帮助理解本发明,不应视为对本发明保护范围的具体限制。
实施例1
一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,包括下述步骤:
(1)将1.24克钼酸铵(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于5ml蒸馏水中得到钼酸铵溶液(钼原子的摩尔浓度约1.4mol/L);
(2)将20克PVA粉末溶入100克热水中,配成20wt%的PVA溶液;
(3)将钼酸铵溶液加入6.2克PVA溶液中溶解,得到混合溶液中PVA与钼酸铵质量比约1:1;
(4)将混合溶液移至注射器,安装到静电纺丝微量泵,注射器针头连接高压电源;
(5)调节微量泵进样速度0.1ml/h,设置高压15kV,持续纺丝1小时,在负极收集板上得到白色的静电纺丝纤维,如图1和图2所示;
(6)将静电纺丝纤维放入管式炉内,室温下通氮气30分钟后,通入体积比为9:1的H2/N2混合气体,以5℃/min的速率升温至700℃,保温1小时,随炉自然冷却到室温,得到黑色的碳化钼纳米纤维,如图3和图4所示。
从图1和图2可以看出煅烧前的静电纺丝纤维产品具有一维线状形貌。
从图3和图4可以看出煅烧后的碳化钼纳米纤维依然保持均匀的一维线状形貌。纳米纤维由碳化钼纳米颗粒(10~15nm)组装而成。
碳化钼纳米纤维的X射线粉末衍射(XRD)如图5所示,对所得的产物进行表征,证明碳化钼纳米纤维的化学组成为Mo2C相,为六方晶系的Mo2C(JCPDS:35-0787)。变化制备条件,也可以得到碳化钼的化学组成为MoC。
实施例2
一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,包括下述步骤:
(1)将1.86克钼酸铵(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于5ml蒸馏水中得到钼酸铵溶液(钼原子的摩尔浓度约2.1mol/L);
(2)将20克PVA粉末溶入100克热水中,配成20wt%的PVA溶液;
(3)将钼酸铵溶液加入6.2克PVA溶液中溶解,得到混合溶液中PVA与钼酸铵质量比约2:1;
(4)将混合溶液移至注射器,安装到静电纺丝微量泵,注射器针头连接高压电源;
(5)调节微量泵进样速度0.1ml/h,设置高压15kV,持续纺丝1小时,在负极收集板上得到白色的静电纺丝纤维;
(6)将静电纺丝纤维放入管式炉内,室温下通氮气30分钟后,通入体积比为9:1的H2/N2混合气体,以5℃/min的速率升温至700℃,保温1小时,随炉自然冷却到室温,得到黑色的碳化钼纳米纤维。
实施例3
一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,包括下述步骤:
(1)将0.62克钼酸铵(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于5ml蒸馏水中得到钼酸铵溶液(钼原子的摩尔浓度约0.7mol/L);
(2)将20克PVA粉末溶入100克热水中,配成20wt%的PVA溶液;
(3)将钼酸铵溶液加入6.2克PVA溶液中溶解,得到混合溶液中PVA与钼酸铵质量比约1:2;
(4)将混合溶液移至注射器,安装到静电纺丝微量泵,注射器针头连接高压电源;
(5)调节微量泵进样速度0.1ml/h,设置高压15kV,持续纺丝1小时,在负极收集板上得到白色的静电纺丝纤维;
(6)将静电纺丝纤维放入管式炉内,在空气气氛中,以5℃/min的速率升温至250℃保温30分钟,随炉自然冷却至室温;
(7)室温下通氮气30分钟后,通入体积比为9:1的H2/N2混合气体,以5℃/min的速率升温至700℃,保温1小时,随炉自然冷却到室温,得到黑色的碳化钼纳米纤维。
实施例4
一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,包括下述步骤:
(1)将1.24克钼酸铵(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于5ml蒸馏水中得到钼酸铵溶液(钼原子的摩尔浓度约1.4mol/L);
(2)将20克PEG粉末溶入100克热水中,配成20wt%的PEG溶液;
(3)将钼酸铵溶液加入6.2克PEG溶液中溶解,得到混合溶液中PEG与钼酸铵质量比约1:1;
(4)将混合溶液移至注射器,安装到静电纺丝微量泵,注射器针头连接高压电源;
(5)调节微量泵进样速度0.1ml/h,设置高压15kV,持续纺丝1小时,在负极收集板上得到白色的静电纺丝纤维;
(6)将静电纺丝纤维放入管式炉内,室温下通氮气30分钟后,通入体积比为9:1的H2/N2混合气体,以5℃/min的速率升温至700℃,保温1小时,随炉自然冷却到室温,得到黑色的碳化钼纳米纤维。
实施例5
一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,包括下述步骤:
(1)将1.86克钼酸铵(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于5ml蒸馏水中得到钼酸铵溶液(钼原子的摩尔浓度约2.1mol/L);
(2)将20克PEG粉末溶入100克热水中,配成20wt%的PEG溶液;
(3)将钼酸铵溶液加入6.2克PEG溶液中溶解,得到混合溶液中PEG与钼酸铵质量比约2:1;
(4)将混合溶液移至注射器,安装到静电纺丝微量泵,注射器针头连接高压电源;
(5)调节微量泵进样速度0.1ml/h,设置高压15kV,持续纺丝1小时,在负极收集板上得到白色的静电纺丝纤维;
(6)将静电纺丝纤维放入管式炉内,室温下通氮气30分钟后,通入体积比为9:1的H2/N2混合气体,以5℃/min的速率升温至700℃,保温1小时,随炉自然冷却到室温,得到黑色的碳化钼纳米纤维。
实施例6
一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,包括下述步骤:
(1)将0.62克钼酸铵(NH4)6Mo7O24·4H2O溶于5ml蒸馏水中得到钼酸铵溶液(钼原子的摩尔浓度约0.7mol/L);
(2)将20克PEG粉末溶入100克热水中,配成20wt%的PEG溶液;
(3)将钼酸铵溶液加入6.2克PEG溶液中溶解,得到混合溶液中PEG与钼酸铵质量比约1:2;
(4)将混合溶液移至注射器,安装到静电纺丝微量泵,注射器针头连接高压电源;
(5)调节微量泵进样速度0.1ml/h,设置高压15kV,持续纺丝1小时,在负极收集板上得到白色的静电纺丝纤维;
(6)将静电纺丝纤维放入管式炉内,在空气气氛中,以5℃/min的速率升温至250℃保温30分钟,随炉自然冷却至室温;
(7)室温下通氮气30分钟后,通入体积比为9:1的H2/N2混合气体,以5℃/min的速率升温至700℃,保温1小时,随炉自然冷却到室温,得到黑色的碳化钼纳米纤维。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤: 
步骤一、将水溶性钼酸盐溶解配成溶液,将水溶性高分子聚合物溶解配成溶液,然后将上述两种溶液混合,制得静电纺丝前驱体溶液; 
步骤二、将步骤一所述前驱体溶液吸入注射器的针管中,将所述注射器固定于微量泵进样器,正极连接所述注射器的针头,负极连接收集板,调节所述收集板与所述针头之间的距离,所述微量泵设置适当的进样速度,提供电压即可在所述收集板上收集到钼酸盐与高分子聚合物的复合纳米纤维; 
步骤三、将步骤二得到的所述复合纳米纤维放入管式炉内,在惰性气体气氛或惰性气体与氢气混合还原气氛中煅烧,得到所述多孔碳化钼纳米纤维。 
2.如权利要求1所述的一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,其特征在于,步骤一所述水溶性钼酸盐为钼酸铵、钼酸钠、钼酸钾之中的一种或多种;所述水溶性高分子聚合物为聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮之中的一种或多种。 
3.如权利要求1所述的一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,其特征在于,步骤一所述钼酸盐与所述高分子聚合物的重量比为0.1~10:1。 
4.如权利要求1所述的一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,其特征在于,步骤一所述静电纺丝前驱体溶液中高分子聚合物浓度为8wt%~20wt%。 
5.如权利要求1所述的一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,其特征在于,步骤二所述收集板与所述针头之间的距离为5~50厘米。 
6.如权利要求1所述的一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,其特征在于,步骤二所述微量泵的进样速度为0.001~5ml/h。 
7.如权利要求1所述的一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,其特征在于,步骤二所述电压为5~50kV。 
8.如权利要求1所述的一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,其特征在于,所述惰性气体为氩气、氮气或者氮气与氩气的混合气体之中的一种;所述惰性气体与氢气混合还原气氛中氢气与惰性气体的体积比为1:0.1~100。 
9.如权利要求1所述的一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,其特征在于,步骤三所述煅烧条件为:从常温以1~20℃/min速率升温至150~350℃,保持恒温煅烧1~2小时;然后以1~20℃/min速率升温至550~1000℃,保持恒温煅烧2~3小时;最后以1~20℃/min速率降温至常温。 
10.如权利要求1所述的一种静电纺丝制备多孔碳化钼纳米纤维的方法,其特征在于,所述多孔碳化钼纳米纤维的化学组成为MoC或Mo2C或者二者混合物。 
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