CN108217596A - 使用非氢源溶液法制备铌氢化物和钽氢化物的方法 - Google Patents

使用非氢源溶液法制备铌氢化物和钽氢化物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明的使用非氢源溶液法制备铌氢化物和钽氢化物的方法属于金属氢化物材料制备技术领域。将铌箔或钽箔清洗后加入到碱溶液中，然后将碱溶液在30分钟内升至180℃，在该温度下保持1.5～4.5小时，冷却后去除杂质得到铌氢化物或钽氢化物。本发明生产工艺简单，不需要使用易燃易爆的氢气作为氢源，制备过程简便安全，与传统方法相比本方法在更简便的条件下成功制备了不同化学计量比的高纯度铌钽氢化物，为金属氢化物的制备提供了新的思路和方向。

Description

使用非氢源溶液法制备铌氢化物和钽氢化物的方法
技术领域
本发明属于金属氢化物材料制备的技术领域，特别涉及溶液法简单高效合成高纯度铌钽氢化物的方法。
背景技术
能源问题一直是世界各国科学研究领域的重要课题。随着人类社会的发展进程加快，能源的需求越来越大，化石燃料作为基础能源是当今世界使用最多，所占比重最大的能源。但是化石能源属于不可再生资源，而且，化石燃料使用后所产生的反应物，硫氧化物、氮氧化物、碳氢化合物等对自然环境已经产生了巨大的影响，包括酸雨污染、温室效应和全球气候变化，所以关于绿色可再生的新型能源的研究与使用是全世界亟待解决的主要问题。
在众多的新型能源中，氢气是清洁能源的理想选择之一。氢气具有高燃烧热，完全燃烧后产物只有水，清洁无污染，并且储量巨大、制取简单等特点。但是，氢气的存储与运输条件十分苛刻，因为氢气的化学性质十分活泼，具有极强的还原性和易燃易爆特性。因此将氢气以氢化物形式储存起来被认为是有效解决氢气利用的主要方法。金属氢化物作为氢化物的重要组成部分，与富氢化合物相比(如硼氢化物等)，具有良好的稳定性，释放氢气过程中没有其他气体的产生的特点；同时，金属氢化物还具有优秀的电学性质，高氢含量的金属氢化物是超导研究的重要对象，因此金属氢化物具有重要研究价值和使用前景。
金属氢化物的制备主要是直接反应法，即金属与氢气直接接触发生反应，有些金属可以在常温常压下与氢气发生反应，如钯；但大部分金属只有在高温高压的条件下才会与氢气发生反应生成氢化物，而氢气属于易燃易爆的危险气体，因此在实际的实验和生产过程中，如何采用非氢气(如，醇类和水等化合物)作为氢源制备金属氢化物具有十分重要的研究价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服背景技术存在的问题，提供一种使用乙二醇或水作为氢源，利用氢氧化钠，水或者乙二醇，在溶液中制备铌钽氢化物的方法。
一种使用非氢源溶液法制备铌氢化物和钽氢化物的方法，先将铌箔或钽箔依次用无水乙醇和丙酮超声清洗，去除表面的污物，然后加入到浓度为14.3～28.6g/L 的碱溶液中，所述的碱溶液是氢氧化钠或氢氧化钾的水、乙二醇或丙三醇溶液，将混合液在30分钟内升至180℃，在该温度下保持1.5～4.5小时，冷却后去除杂质得到铌氢化物或钽氢化物；其中铌箔或钽箔与碱溶液的质量体积比为1.2～1.6 mg/mL。
作为优选，将质量为45mg的铌箔，加入到35mL浓度为28.6g/L氢氧化钠的乙二醇溶液中，将混合液在30分钟内升温至180℃，在该温度下保持2小时 15分钟，得到纯相的一氢化铌。
作为优选，将质量为55mg的铌箔，加入到35mL浓度为28.6g/L氢氧化钠的乙二醇溶液中，将混合液在30分钟内升温至180℃，在该温度下保持3小时 30分钟，得到纯相的二氢化铌。
作为优选，将质量为45～50mg的钽箔，加入到35mL浓度为14.3g/L氢氧化钠的乙二醇溶液中，将混合液在30分钟内升温至180℃，在该温度下保持3小时，得到纯相的TaH0.9。
有益效果：
1、本发明使用溶液法可制备不同化学计量比的高纯铌氢化物和钽氢化物。
2、本发明生产工艺简单，使用的药品均为常用的实验室用品，可以在市面上购买，不需要进行进一步处理。
3、本发明不需要使用易燃易爆的氢气作为氢源，大大增加制备的安全系数，使铌钽氢化物的制备更加简便和安全，同时与直接反应法相比本方法在更简便的条件下成功制备了高纯度铌钽氢化物。为金属氢化物的制备提供了新的思路和方向。
附图说明
图1是实施例1制得的氢化铌的X射线衍射图谱
图2是实施例1制得样品研磨后的X射线衍射图谱
图3是实施例1制得样品的扫描电子显微镜照片
图4是实施例2制得样品的X射线衍射图谱
图5是实施例3制得样品的X射线衍射图谱
图6是实施例4制得样品的X射线衍射图谱
图7是实施例4制得样品的扫描电子显微镜照片
图8是实施例5制得样品的X射线衍射图谱
图9是实施例6制得样品的X射线衍射图谱
图10是实施例7制得样品的X射线衍射图谱
图11是实施例8制得样品的X射线衍射图谱
具体实施方式
结合下列实施实例更加具体的阐述本发明方法，如无特殊说明，所用试剂均为市售可获得的产品，无需进一步提纯使用。
实施例1：一氢化铌的制备
取1*2cm大小规格铌箔，质量45mg，将铌箔加入到35mL浓度为28.6g/L 氢氧化钠的乙二醇溶液中，而后将溶液转移到50ml聚四氟乙烯反应釜中，在烘箱中将反应釜在30分钟内加热到180℃，在该温度下保持2小时15分钟，反应结束后自然冷却至室温，所的产物依次用去离子水和乙醇离心洗样3-4次，去除体系中的杂质。用去离子水主要是去除反应产生的溶于水的副产物，乙醇的作用是去除乙二醇等反应液。
本实例所制得的样品的X射线衍射图谱如图1所示，通过XRD图谱表征实例1的产物为正交相的一氢化铌，通过和标准一氢化铌XRD谱图对比，发现与卡片JCPDS39-1167(正交相)完全符合。同时从图中可以观察到由于产物晶体生长取向性的原因，导致部分衍射峰没有体现出来，因此，将得到的样品进行研磨，对研磨后的产物进行X射线衍射实验，得到如图2所示X射线衍射图谱，此时的X射线衍射峰表现与标准衍射峰相同。图3是一氢化铌的扫描电子显微镜照片。
实施例2：减少反应时间制备铌与一氢化铌混合物
同样取35mL浓度为28.6g/L氢氧化钠的乙二醇溶液，将规格为1*2cm，质量45mg的铌箔置于其中，而后将溶液转移至50ml聚四氟乙烯反应釜中，在烘箱中将反应釜在30分钟内加热到180℃，反应2小时，结束后自然冷却至室温，所得产物依次用去离子水和乙醇离心洗样3-4次，所得产物置于乙醇中保存，以备后续测试使用。
本实例所制得的样品X射线衍射图谱如图4所示，通过XRD图谱可以得出，相同温度下，减少反应时间，氢化反应进行不彻底，实例2制得的产物为铌与一氢化铌的混合物，其中，一氢化铌衍射峰与标准卡片JCPDS39-1167(正交相) 符合，其余衍射峰属于金属铌，与标准卡片JCPDS2-1108符合。
实施例3：增加反应时间制备一氢化铌和二氢化铌混合物
取35mL浓度为28.6g/L氢氧化钠的乙二醇溶液，将规格为1*2cm，质量为 45mg的铌箔置于其中，而后将溶液转移至50ml聚四氟乙烯反应釜中，在烘箱中将反应釜在30分钟内加热到180℃，反应3小时，反应结束后自然冷却至室温，所得产物依次用去离子水和乙醇离心洗样3-4次，去除杂质，而后产物置于乙醇中保存，以备后续测试使用
本实例所制得样品的X射线衍射图谱如图5所示，通过XRD图可以得出，实例3所得产物为一氢化铌和二氢化铌的混合物，经过与标准XRD图谱对比，与卡片JCPDS39-1167和JCPDS39-1166完全符合。其中，53.02°、65.94°对应一氢化铌的(220)和(022)晶面，34.01°、39.45°、57.05°、68.15°和85.05 °分别对应二氢化铌的(111)、(200)、(220)、(311)和(400)晶面。
实施例4：增加反应时间并且增加铌箔的量制备二氢化铌
取35mL浓度为28.6g/L氢氧化钠的乙二醇溶液，将1*2cm大小规格，质量为55mg的铌箔置于其中，而后将溶液转移至50ml聚四氟乙烯反应釜中，在烘箱中将反应釜在30分钟内加热到180℃，反应3小时30分钟，反应结束后自然冷却至室温，所的产物一次用去离子水和乙醇离心洗样3-4次，去除杂质，而后产物保存于乙醇中，以备后续测试。
本实例所制得样品的扫描电子显微镜照片如图7所示，X射线衍射图谱如图 6所示，通过XRD图可知，随着反应时间的加长，产物向二氢化铌转变，经过与标准XRD图谱对比，与卡片JCPDS39-1166完全符合，所得产物为纯相二氢化铌，其中33.9°，39.3°、56.9°、68.0°和84.9°分别对应二氢化铌的(111)、 (200)、(220)、(311)和(400)晶面。
实施例5：用水做溶剂来制备氢化铌
取35mL浓度为28.6g/L氢氧化钠水溶液，将1*2cm大小规格，质量为55mg 的铌箔置于其中，而后将溶液转移至50ml聚四氟乙烯反应釜中，在烘箱中将反应釜在30分钟内加热到180℃。反应1小时30分钟，反应结束后自然冷却至室温，所得产物依次用去离子水和乙醇离心洗样3-4次，去除杂质，而后产物保存于乙醇中，以备后续测试。
本实例所制得样品的X射线衍射图谱如图8所示，通过XRD图可知，实例 5所得产物为一氢化铌和二氢化铌的混合物，经过与标准XRD图谱对比，与卡片JCPDS39-1167和JCPDS39-1166符合，其中，53.05°和65.9°对应一氢化铌 (220)和(022)晶面，39.5°、57.1°、68.1°和85.05°分别对应二氢化铌(200)、 (220)、(311)和(400)晶面。使用去离子水作为反应溶剂使本方法变得更加简单实用，并且水作为溶剂得到的产物与乙二醇产物没有区别，都是氢化铌，纯相的氢化铌可以通过前几个实例调节反应时间来得到。
实施例6：改变金属源制备氢化钽
氢化钽的制备，使用钽箔为原料，方法与氢化铌类似。取35ml浓度为14.3g/L 氢氧化钠的乙二醇溶液，将1*2cm大小规格，质量为50mg的钽箔置于其中，而后将溶液转移至50ml聚四氟乙烯反应釜中，在烘箱中将反应釜在30分钟内加热到180℃，保持该温度3小时，反应结束后自然冷却至室温，所得产物依次用去离子水和乙醇离心洗样3-4次，去除杂质，而后产物保存于乙醇中，以备后续测试使用。
本实例所制得样品的X射线衍射图谱如图9所示，通过XRD图可知，实施例6所得产物为氢化钽(TaH0.9)，经过与标准XRD图谱对比，与卡片 JCPDS39-1170完全符合。
实施例7：改变碱源制备氢化铌
取35mL浓度为40g/L氢氧化钾的乙二醇溶液，质量为45mg的铌箔置于其中，而后将溶液转移至50ml聚四氟乙烯反应釜中，在烘箱中将反应釜在30分钟内加热到180℃，反应3小时30分钟，结束后自然冷却至室温，所得产物依次用去离子水和乙醇离心洗样3-4次，所得产物置于乙醇中保存，以备后续测试使用。
本实例所制得的样品X射线衍射图谱如图10所示，通过XRD图谱可以得出，将氢氧化钠更换为氢氧化钾后，也可以制得氢化铌，实例7制得的产物为铌与氢化铌(NbH0.89)的混合物，其中，氢化铌(NbH0.89)衍射峰与标准卡片 JCPDS7-263(正交相)符合，其余衍射峰属于金属铌，与标准卡片JCPDS2-1108 符合。
实施例8：改变多元醇源制备氢化铌
取35mL浓度为28.6g/L氢氧化钠的丙三醇溶液，质量为45mg的铌箔置于其中，而后将溶液转移至50ml聚四氟乙烯反应釜中，在烘箱中将反应釜在30 分钟内加热到180℃，反应4小时30分钟，结束后自然冷却至室温，所得产物依次用去离子水和乙醇离心洗样3-4次，所得产物置于乙醇中保存，以备后续测试使用。
本实例所制得的样品X射线衍射图谱如图11所示，通过XRD图谱可以得出，将乙二醇更换为丙三醇后，也可以制得氢化铌，实例8制得的产物为氢化铌 (NbH0.89)，其中，氢化铌(NbH0.89)衍射峰与标准卡片JCPDS7-263(正交相)符合。

Claims (4)

1.一种使用非氢源溶液法制备铌氢化物和钽氢化物的方法，先将铌箔或钽箔依次用无水乙醇和丙酮超声清洗，然后加入到浓度为14.3～28.6g/L的碱溶液中，所述的碱溶液是氢氧化钠或氢氧化钾的水、乙二醇或丙三醇溶液，将混合液在30分钟内升至180℃，在该温度下保持1.5～4.5小时，冷却后去除杂质得到铌氢化物或钽氢化物；其中铌箔或钽箔与碱溶液的质量体积比为1.2～1.6mg/mL。
2.根据权利要求1所述的一种使用非氢源溶液法制备铌氢化物和钽氢化物的方法，其特征的于，将铌箔加入到浓度为28.6g/L氢氧化钠的乙二醇溶液中，将混合液在30分钟内升温至180℃，在该温度下保持2小时15分钟，得到纯相的一氢化铌；其中铌箔与氢氧化钠的乙二醇溶液的质量体积比为45mg/35mL。
3.根据权利要求1所述的一种使用非氢源溶液法制备铌氢化物和钽氢化物的方法，其特征的于，将铌箔加入到浓度为28.6g/L氢氧化钠的乙二醇溶液中，将混合液在30分钟内升温至180℃，在该温度下保持3小时30分钟，得到纯相的二氢化铌；其中铌箔与氢氧化钠的乙二醇溶液的质量体积比为55mg/35mL。
4.根据权利要求1所述的一种使用非氢源溶液法制备铌氢化物和钽氢化物的方法，其特征的于，将钽箔加入到浓度为14.3g/L氢氧化钠的乙二醇溶液中，将混合液在30分钟内升温至180℃，在该温度下保持3小时，得到纯相的TaH0.9；其中钽箔与氢氧化钠的乙二醇溶液的质量体积比为45～50mg/35mL。
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
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Granted publication date: 20210330

Termination date: 20220129