CN107055490B - 一种多孔纳米氮化钒微晶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种多孔纳米氮化钒微晶的制备方法，属于无机纳米材料制备的技术领域。制备方法具体步骤是将金属钒粉末压制成圆柱状金属钒片，将金属钒片放入与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；阳极铜锅夹层和冷却壁内通循环冷却水，反应腔室通入反应气氮气，进行起弧放电，保持电流110～120A；切断电源后再在氮气气氛中冷却钝化6小时，在石墨锅处收集多孔纳米氮化钒微晶，颗粒尺寸800nm，孔径400nm。本发明制备工艺简单、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。

Description

一种多孔纳米氮化钒微晶的制备方法
技术领域
本发明属于无机纳米材料制备的技术领域，具体涉及一种多孔纳米氮化钒微晶的制备方法。
背景技术
氮化钒(VN)，别名钒氮合金，属于新型合金，作为一种过渡金属氮化物，因其在理论比容量、电子传导率、化学稳定性、抗中毒性能、电化学电势窗范围和综合机械性能等方面具有独特的优势，被广泛应用于超级电容器、催化和锂电化学等领域。低密度多孔微纳米结构VN由于具有比表面积大和活性位点多等特点，成为目前锂电池电极材料研究的热点。
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。一方面，Li3N微纳米结构VN作为锂电负极材料时，会反应生成，缩短Li+的扩散距离，促进离子和电子的传导率，提高相互转化的容量。如以V2O5为原料，利用溶胶凝胶法得到球形的纳米颗粒；常温下让VCl4和NaNH2反应，得到中空球状纳米氮化钒；离子溅射法得到氮化钒薄膜等。另一方面，多孔结构VN能为电解液流动提供便捷的通道，同时进一步缩短Li+的扩散距离。如采用静电纺丝技术已制备多孔氮化钒纳米纤维；水热法以及后续的NH3退火处理制备了多孔VN纳米带等。上述制备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。
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多孔纳米氮化钒微晶的方法，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：
一种多孔纳米氮化钒微晶的制备方法，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110～120A，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，获得纯净的多孔纳米氮化钒微晶。
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多孔纳米氮化钒微晶。
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多孔纳米氮化钒微晶，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多孔纳米氮化钒微晶的X射线衍射(XRD)谱图。
图3多孔纳米氮化钒微晶的扫描式电子显微镜(SEM)图。图中长方形区域为电子能谱的选区。
图4多孔纳米氮化钒微晶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115A，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，可获得纯净的多孔纳米氮化钒微晶。
图2是本实施例制得的多孔纳米氮化钒微晶的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。多孔纳米氮化钒微晶扫描式电子显微镜(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。晶形为多孔纳米氮化钒微晶，颗粒尺寸为800nm，与外观形貌一致的孔径为400nm。图4为多孔纳米氮化钒微晶的选区电子能谱分析(EDS)谱图，由图表测算可知，多孔纳米氮化钒微晶只由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115A高5A和低5A的范围内，也能够得到纯净无杂质的多孔纳米氮化钒微晶。
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 (2)

1.一种多孔纳米氮化钒微晶的制备方法，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20kPa并保持不变，再进行起弧放电，保持电流110～120A，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，获得纯净的多孔纳米氮化钒微晶。
2.根据权利要求1所述的多孔纳米氮化钒微晶的制备方法，其特征在于，所述的氮气气氛中冷却，是在氮气气氛中冷却钝化6小时。
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