CN106995208A - 一种无定形氮化钒纳米颗粒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种无定形氮化钒纳米颗粒的制备方法，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，石墨锅内嵌于直流电弧反应腔室的阳极铜锅中，阴极钨棒悬于石墨锅正上方；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80～100A；切断电源后，在氮气气氛中冷却钝化6小时，获得颗粒尺寸约为500nm纯净的无定形氮化钒纳米颗粒。本发明制备工艺简单高效稳定经济，重复性高，产物纯度高，有良好的应用前景。

Description

一种无定形氮化钒纳米颗粒的制备方法
技术领域
本发明属于无机纳米材料制备的技术领域，具体涉及一种无定形氮化钒纳米颗粒的制备方法。
背景技术
氮化钒(VN)，别名钒氮合金，属于新型合金，作为一种添加剂替代钒铁用于微合金化钢的生产，能够最大程度地提高钢的强度、韧性、延展性及抗热疲劳性等综合机械性能，并使钢具有良好的耐高温性和焊接性。VN作为一种高强度低合金钢经济有效的添加剂，已成为材料科学领域研究的热点之一，并具有广阔的市场应用价值。目前，制备氮化钒的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，最终合成氮化钒。现有制备VN的方法一般先获得中间产物，再经氮化后得到氮化钒，因设备昂贵、工艺复杂、条件苛刻、步骤繁琐、制备难度大，生产周期长，可重复性差、成本过高等缺点，阻碍了VN纳米材料的实际应用。
采用直流电弧等离子体放电法可以解决上述问题。本发明中，当电路电压不低于10V，电流不小于80A，就可产生两极间放电现象，电流通过绝缘介质(氮气)产生瞬间火花，使电能转化为热能和光能。弧光的高温首先使弧柱中的各种原子电离，当这些离子离开弧柱时，温度急剧下降而饱和，离化的混合离子就会以某种方式组合成相对稳定的结构。用直流电弧等离子体放电法制备氮化钒纳米颗粒，其优点是设备简单、易操作，并且纳米颗粒合成速度快、纯度高、种类多、活性强，适合于工业化批量生产。
发明内容
本发明要解决的技术问题，是克服现有技术合成氮化钒过程中产量低、过程复杂、制备条件苛刻等不足，提供一种直流电弧制备无定形氮化钒纳米颗粒的方法，是一种简单高效、稳定经济的制备方法。
本发明所用的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：
一种无定形氮化钒纳米颗粒的制备方法，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80～100A，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，获得纯净的无定形氮化钒纳米颗粒。
所述的反应腔室通入氮气，是使反应腔室内氮气气压升至20kPa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无定形氮化钒纳米颗粒。
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：本发明采用直流电弧等离子放电法一步制备无定形氮化钒纳米颗粒，制备工艺简单、易于操作，生产周期短、可重复性强、成本低廉、产物纯度高，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无定形VN纳米颗粒的X射线衍射(XRD)谱图。
图3无定形VN纳米颗粒的扫描式电子显微镜(SEM)图。
图4无定形VN纳米颗粒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无定形VN纳米颗粒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20kPa，进行起弧放电，保持电流90A，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，可获得纯净的无定形氮化钒纳米颗粒。
图2是本实施例制得的无定形VN纳米颗粒的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，具体衍射晶面已标注于图中，获得的产物纯净无杂质，为面心立方结构的氮化钒。无定形VN纳米颗粒扫描式电子显微镜(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。图4给出无定形VN纳米颗粒的局部扫描式电子显微镜(SEM)放大图。晶形为无定形纳米颗粒，颗粒尺寸为500nm。图5为无定形VN纳米颗粒的选区电子能谱分析(EDS)谱图，由图表测算可知，无定形VN纳米颗粒只由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。
在氮气气压20kPa条件下，放电电流比90A高10A和低10A的范围内，也能够得到纯净无杂质的无定形氮化钒纳米颗粒。
以上所述的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 (3)

1.一种无定形氮化钒纳米颗粒的制备方法，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80～100A，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，获得纯净的无定形氮化钒纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的无定形氮化钒纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述的反应腔室通入氮气，是使反应腔室内氮气气压升至20kPa并保持不变。
3.根据权利要求1或2所述的无定形氮化钒纳米颗粒的制备方法，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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