CN109205590B - 一种负载于3d碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇及其制备方法 - Google Patents

一种负载于3d碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇及其制备方法,包括以下步骤：第一步，碳化三聚氰胺泡沫，得到3D碳泡沫体；第二步，将第一步中3D碳泡沫体浸入溶液A中，并进行水热反应；反应结束冷却至室温后，将3D碳泡沫体采用水和无水乙醇交替进行冲洗，冷冻干燥，得到中间产物；第三步，将上述所得中间产物进行煅烧，反应结束后冷却至室温，得到负载于3D碳骨架上的氮化钒纳米簇；本发明采用的反应原料偏钒酸铵廉价易得，采用的水热法操作简单且易控制，最终制备所得的负载于3D碳骨架上的氮化钒纳米簇，分布均匀，且结构稳定。

Description

一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇及其制备方法
技术领域
本发明属于无机微纳米材料制备领域，具体涉及一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇及其制备方法。
背景技术
过渡金属氮化物(MXNY,M＝Ti、V、MO)由于其晶体结构的特殊性，在光、电、磁等领域广泛应用，并拥有广阔的市场前景，因此吸引了众多科研者的目光，尤其氮化钒成为研究的热点。氮化钒兼具有好的电导性和钒的多价态，使得氮化钒在锂硫电池、超级电容器等方面具有很好的应用前景。特别是赋予氮化钒不同纳米形貌结构，使其应用领域大为扩展，且性能得到有效提高。
目前制备氮化钒主要有微波法、还原氮化法等，中国专利CN106915732A公开了在直流电弧放电装置中制备出了海胆状氮化钒，但该方法能源消耗大且操作复杂，制备成本高昂。此外，氮化钒的粒子团聚以及形貌的保持困难是氮化钒应用方面的问题，针对此类问题骨架支撑是一个有效的方法，中国专利CN103985850A公开了一种五氧化二钒/导电基地(泡沫镍)的制备方法，但使用该方法制备氮化钒时高温氮化处理会影响导电基地的导电性能。碳泡沫则不存在该方面问题并且网络骨架完整、成本低廉、制备简单，因此该发明提出在3D碳泡沫上负载氮化钒。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇及其制备方法,解决现有制备氮化钒时,成本高、能源消耗大且操作复杂等问题，同时防止氮化钒的粒子团聚，并且使其形貌稳定保持。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇的制备方法,包括以下步骤：
第一步，碳化三聚氰胺泡沫，得到3D碳泡沫体；
第二步，将第一步中3D碳泡沫体浸入溶液A中，并进行水热反应；反应结束冷却至室温后，将3D碳泡沫体采用水和无水乙醇交替进行冲洗，冷冻干燥，得到中间产物；
第三步，将上述所得中间产物进行煅烧，反应结束后冷却至室温，得到负载于3D碳骨架上的氮化钒纳米簇；
其中，溶液A是将浓度为10～30mol/L的偏钒酸铵、1～10mol/L的六次甲基四胺和草酸水溶液以(1～3)：(1～4)：(1～5)的体积比混合，搅拌充分得到。
优选地，第一步中，将三聚氰胺泡沫放入管式炉中，并在氩气或氮气气氛下以5℃·min-1的升温速率，在800℃温度下煅烧1h后，冷却至室温后，得到3D碳泡沫体。
优选地，在配备溶液A时，草酸水溶液的PH为1～4。
优选地，第二步中，将3D碳泡沫体浸入溶液A中时，采用真空浸渍法。
优选地，第二步中，水热反应的工艺参数为，反应温度：100℃～150℃，反应时间：0.5～8h；
优选地，第三步中，煅烧的工艺参数为，以氨气作为煅烧气氛，煅烧温度：500℃～700℃，升温速率：2℃·min-1，煅烧时间：2～5h。
一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇，根据所述的制备方法制备所得。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇的制备方法，反应原料偏钒酸铵廉价易得，采用的水热法操作简单且易控制，最终制备所得的负载于3D碳骨架上的氮化钒纳米簇，分布均匀、结构稳定，并且实验重复性优良；所得氮化钒纳米簇由于均匀分布于3D碳泡沫上，解决了纳米材料易团聚的问题，并且这种纳米簇结构稳定，可以更加广泛的应用于纳米材料领域。另外，本发明所采用的3D碳泡沫是典型的柔性材料，可更优异的应用于锂电、钠电、超级电容器等储能器件，上由此可见，这种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇不仅具有学术价值，而且也具有实用价值。
附图说明
图1是负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇的不同放大倍数SEM图；其中，图1a是100umSEM图放大图、图1b是20umSEM图放大图、图1c是10umSEM图放大图；
图2是制备出VN@碳泡沫的XRD图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明。
本发明提供的一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇的制备方法，包括以下步骤：
第一步，将三聚氰胺泡沫放入管式炉中，并在氩气或氮气气氛下以5℃·min-1在800℃温度下煅烧1h后，冷却至室温后，得到3D碳泡沫体；
第二步，配置PH为1～4的草酸水溶液；
第三步，将浓度为10～30mol/L的偏钒酸铵和1～10mol/L的六次甲基四胺与上述草酸水溶液中以(1～3)：(1～4)：(1～5)的体积比混合，搅拌充分得到溶液A；
第四步，将第一步中碳泡沫在溶液A中真空浸渍并将其转移到聚四氟乙烯反应釜中，并进行密封，同时在100℃～150℃的温度下水热反应0.5～8h；反应结束降至室温后，将泡沫体用水和无水乙醇交替冲洗数次，冷冻干燥，得到中间产物；
第五步，将上述所得中间产物放入管式炉中，并在氨气气氛下以2℃·min-1在500℃～700℃温度下煅烧2～5h后，冷却至室温后，所得到的氮化钒为成型完整的纳米球，并且紧密且整齐的串在3D碳泡沫骨架上，形成氮化钒纳米簇，即为负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇。
实施例1
第一步，将三聚氰胺泡沫放入管式炉中，并在氩气或氮气气氛下以5℃·min-1在800℃温度下煅烧1h后，冷却至室温后，得到3D碳泡沫体；
第二步，配置PH为1的草酸水溶液；
第三步，将浓度为10mol/L的偏钒酸铵、1mol/L的六次甲基四胺和上述草酸水溶液中以1：1：1的体积比混合，搅拌充分得到溶液A；
第四步，将碳泡沫在溶液A中真空浸渍并将其转移到聚四氟乙烯反应釜中，并进行密封，同时在100℃的温度下水热反应0.5h，然后将其洗涤、冷冻干燥，得到中间产物；
第五步，将上述所得中间产物放入管式炉中，并在氨气气氛下，煅烧温度为500℃，升温速率为2℃·min-1，煅烧2h，冷却至室温后，得到负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇。
如图1所示，图1a、图1b、图1c分别是负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇的不同放大倍数SEM图，图中碳骨架保持完整，氮化钒纳米簇生长完整且均匀包覆在碳骨架上，形成了完整的3D互相连通的网络结构
图2是制备出VN@碳泡沫的XRD图，其测试的2θ范围为10°～80°。从图中可以看出其衍射峰尖锐，衍射强度较高，和标准卡片的衍射峰角度基本一致，并未出现其它的杂峰，表明该制备方法合成VN物质纯度高、结晶性良好。
实施例2
第一步，将三聚氰胺泡沫放入管式炉中，并在氩气或氮气气氛下以5℃·min-1在800℃温度下煅烧1h后，冷却至室温后，得到3D碳泡沫体；
第二步，配置PH为2的草酸水溶液；
第三步，将浓度为20mol/L的偏钒酸铵、5mol/L的六次甲基四胺和上述草酸水溶液中以2：3：3的体积比混合，搅拌充分得到溶液A；
第四步，将碳泡沫在溶液A中真空浸渍并将其转移到聚四氟乙烯反应釜中，并进行密封，同时在150℃的温度下水热反应8h，然后将其洗涤、冷冻干燥，得到中间产物；
第五步，将上述所得中间产物放入管式炉中，并在氨气气氛下，煅烧温度为700℃，升温速率为2℃·min-1，煅烧5h，冷却至室温后，得到负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇。
实施例3
第一步，将三聚氰胺泡沫放入管式炉中，并在氩气或氮气气氛下以5℃·min-1在800℃温度下煅烧1h后，冷却至室温后，得到3D碳泡沫体；
第二步，配置PH为4的草酸水溶液；
第三步，将浓度为30mol/L的偏钒酸铵、10mol/L的六次甲基四胺和上述草酸水溶液中以3：4：5的体积比混合，搅拌充分得到溶液A；
第四步，将碳泡沫在溶液A中真空浸渍并将其转移到聚四氟乙烯反应釜中，并进行密封，同时在150℃的温度下水热反应1h，然后将其洗涤、冷冻干燥，得到中间产物；
第五步，将上述所得中间产物放入管式炉中，并在氨气气氛下，煅烧温度为600℃，升温速率为2℃·min-1，煅烧3h，冷却至室温后，得到负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，碳化三聚氰胺泡沫，得到3D碳泡沫体；
第二步，将第一步中3D碳泡沫体浸入溶液A中，并进行水热反应；反应结束冷却至室温后，将3D碳泡沫体采用水和无水乙醇交替进行冲洗，冷冻干燥，得到中间产物；
第三步，将上述所得中间产物进行煅烧，反应结束后冷却至室温，得到负载于3D碳骨架上的氮化钒纳米簇；
其中，溶液A是将浓度为10～30mol/L的偏钒酸铵、1～10mol/L的六次甲基四胺和草酸水溶液以(1～3)：(1～4)：(1～5)的体积比混合，搅拌充分得到；
第二步中，将3D碳泡沫体浸入溶液A中时，采用真空浸渍法；
第二步中，水热反应的工艺参数为，反应温度：100℃～150℃，反应时间：0.5～8h。
2.根据权利要求1所述的一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇的制备方法，其特征在于，第一步中，将三聚氰胺泡沫放入管式炉中，并在氩气或氮气气氛下以5℃·min-1的升温速率，在800℃温度下煅烧1h后，冷却至室温后，得到3D碳泡沫体。
3.根据权利要求1所述的一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇的制备方法，其特征在于，在配备溶液A时，草酸水溶液的PH为1～4。
4.根据权利要求1所述的一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇的制备方法，其特征在于，第三步中，煅烧的工艺参数为，以氨气作为煅烧气氛，煅烧温度：500℃～700℃，升温速率：2℃·min-1，煅烧时间：2～5h。
5.一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇，其特征在于，根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法制备所得。
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