CN106915732B - 一种三维海胆状纳米氮化钒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种三维海胆状纳米氮化钒的制备方法，属于无机纳米材料制备的领域。制备过程是将金属钒粉末压制成圆柱状金属钒片，将金属钒片放入和自身形状大小契合的石墨锅内，石墨锅置于直流电弧反应腔室的阳极铜锅中，阴极钨棒悬于石墨锅上方；在冷凝壁套筒和阳极铜锅夹层中通入循环冷却水，向反应腔室通入氮气，进行起弧放电，保持电流90～100A；切断电源后，在氮气气氛中冷却钝化6小时。获得的三维海胆状纳米氮化钒由球体和分布于球体表面的针状晶须组成，球体直径为500～700nm，晶须长度为300nm。本发明制备工艺简单高效稳定经济，重复性高，样品纯度高，形貌新颖，有良好的应用前景。

Description

一种三维海胆状纳米氮化钒的制备方法
技术领域
本发明属于无机纳米材料制备的技术领域，具体涉及一种三维海胆状纳米氮化钒的制备方法。
背景技术
氮化钒(VN)具有高的热化学稳定性和强的机械耐磨性，广泛用于切削工具、磨具和结构材料；VN也是一种良好的催化剂，具有高催化活性、高选择性、良好的稳定性和抗中毒性能。一方面，纳米材料自身可表现出与相应块体材料截然不同的物理化学性质。例如，细粒度的VN能有效提高催化活性，改善结构材料的韧性等。另一方面，形貌的各向异性有利于纳米材料的功能化，进而在制备功能化纳米器件领域具有潜在的应用价值。因此制备不同尺寸大小和不同形貌纳米VN是近年来研究的热点之一。
目前，多数研究侧重于纳米材料的尺寸效应，其制备方法主要有高温真空法和高温非真空法两类，多以三氧化二钒、五氧化二钒以及偏钒酸铵、多钒酸铵等为原料，以碳质、氢气、氨气、一氧化碳等为还原剂，再经氮气或者氨气进行氮化，最终合成纳米VN。实际上，纳米材料的物理化学性质不仅与尺寸有关，也与形貌有关。迄今为止，在特定的反应条件下，已成功制备出各种具有特殊形貌的VN。如在大气压下用N2/Ar/H2微波等离子焰分解气态的VOCl5,得到球形的纳米颗粒；常温下让VCl4和NaNH2反应，得到中空球状氮化钒颗粒；采用静电纺丝技术已制备氮化钒纳米带、纳米纤维；离子溅射法得到氮化钒薄膜等。现有制备VN的方法或因工艺复杂、步骤繁琐、生产周期长，可重复性差；或因设备昂贵、条件苛刻、制备难度大，成本过高等，阻碍了VN纳米材料的实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题，是解决现有技术存在的不足。提供一种简单高效、稳定经济的制备方法，为实现上述目的，本发明采用直流电弧等离子体放电法制备三维海胆状纳米氮化钒，
直流电弧放电装置结构示意图见图1。图1中1为玻璃真空钟罩，2为冷凝壁，是套筒式结构以便通循环冷却水，3为钨棒阴极，4为内嵌石墨锅(与铜锅一起构成阳极)，5为铜锅阳极，铜锅阳极也有夹层以便通循环冷却水，6为进水口，7为出水口，8为进气口，9为出气口。本发明的具体技术方案如下：
一种三维海胆状纳米氮化钒的制备方法，在直流电弧放电装置中进行制备；首先将金属钒粉末压成形状大小与石墨锅契合的金属钒片，把金属钒片放入石墨锅，再把石墨锅放入直流电弧反应腔室的阳极铜锅中，阴极钨棒固定悬于石墨锅上方，并将反应腔室处于真空状态；其次，在冷凝壁套筒和阳极铜锅夹层中通入循环冷却水，向反应腔室通入氮气，再进行起弧放电，保持电流90～100A，反应15～30分钟后切断电源；最后继续通循环冷却水，并在氮气气氛中冷却至室温，在石墨锅处收集样品，获得纯净的三维海胆状纳米氮化钒。
所述的反应腔室通入氮气，是使反应腔室内氮气气压升至40kPa并保持不变。
起弧放电过程中，在冷凝壁套筒和阳极铜锅夹层中通入循环冷却水是制备氮化钒的必要条件。一方面，由于冷却水的作用，使反应腔内各处与极间区域产生反应环境所需的温度梯度场。另一方面，当切断高压电源后，石墨锅仍具有很高的温度，保持循环冷却水开路，降温的同时也起到淬火的作用。伴随氮气气氛中的钝化，最终可得到纯净无杂质的三维海胆状纳米氮化钒。
所述的在氮气气氛中冷却，是在氮气气氛中冷却钝化6小时。
与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：本发明的直流电弧等离子体放电法制备工艺简单高效、稳定经济、重复性高；首次成功地一步制备出三维海胆状纳米氮化钒，得到的样品纯度高，有良好的应用前景。
附图说明
图1直流电弧等离子体放电装置结构示意图。
图2三维海胆状纳米VN的X射线衍射(XRD)谱图。
图3三维海胆状纳米VN的扫描式电子显微镜(SEM)图。
图4三维海胆状纳米VN的局部扫描式电子显微镜(SEM)放大图。图中长方形区域为电子能谱的选区。
图5三维海胆状纳米VN的选区电子能谱分析(EDS)图。
具体实施方式
为使本发明的实质特点更易于理解，下面结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的详尽阐述。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
实施例1
称量3.2g高纯金属钒粉末，用压片机压成高7mm，直径12mm的圆柱形金属钒片；把金属钒片放入和自身形状大小完全契合的石墨锅内，再把石墨锅放入直流电弧反应腔室的阳极铜锅中，阴极钨棒固定悬于石墨锅正中间上方1.5cm处，将反应腔室处于真空状态；循环冷却水保护状态下，通入反应气氮气40kPa，进行起弧放电，保持电流95A，反应15～30分钟后切断电源，在氮气气氛中冷却钝化6小时(基本冷却到室温)，在石墨锅处收集样品，可获得纯净的三维海胆状纳米氮化钒。
图2是本实施例制得的三维海胆状纳米VN的X射线衍射(XRD)谱图，所有衍射峰位置与JCPDS标准卡片比对可知，没有发现杂相峰，获得的产物纯净无杂质，为面心立方结构的氮化钒。三维海胆状纳米氮化钒的扫描式电子显微镜(SEM)谱图见图3所示，产物微结构及其结构单元单分散性较好、形貌均一、表面清洁无杂质、形状似海胆，其球体直径500～700nm，大量的针状晶须分布于球体表面，晶须沿长度方向笔直，尺度均一，长度约为300nm。图4给出三维海胆状纳米VN的局部扫描式电子显微镜(SEM)放大图。图5和表1为三维海胆状纳米VN的选区电子能谱分析(EDS)谱图和测试分析结果列表，由图表可知，三维海胆状纳米VN只由V和N两种元素组成，且原子比例接近1:1，与XRD获得的数据很好的吻合。
表1三维海胆状纳米VN的选区电子能谱分析(EDS)参数及结果。
在氮气气压40kPa条件下，放电电流比95A高5A和低5A的范围内，也能够得到纯净无杂质的三维海胆状纳米氮化钒。
以上实施例仅对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种三维海胆状纳米氮化钒的制备方法，在直流电弧放电装置中进行制备；首先将金属钒粉末压成形状大小与石墨锅契合的金属钒片，把金属钒片放入石墨锅，再把石墨锅放入直流电弧反应腔室的阳极铜锅中，阴极钨棒固定悬于石墨锅上方，并将反应腔室处于真空状态；其次，在冷凝壁套筒和阳极铜锅夹层中通入循环冷却水，向反应腔室通入氮气使反应腔室内氮气气压升至40kPa并保持不变，再进行起弧放电，保持电流90～100A，反应15～30分钟后切断电源；最后继续通循环冷却水，并在氮气气氛中冷却至室温，在石墨锅处收集样品，获得纯净的三维海胆状纳米氮化钒。
2.根据权利要求1所述的三维海胆状纳米氮化钒的制备方法，其特征在于，所述的在氮气气氛中冷却，是在氮气气氛中冷却钝化6小时。
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