一种制备纳米氮化三镍粉末的方法与流程

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种制备纳米氮化三镍粉末的方法。

背景技术：

氮化三镍作为一种具有六方晶系纤锌矿结构的新型陶瓷材料，近年来受到研究者和工业界的广泛关注。氮化三镍具有室温下其强度高、热导率高、线膨胀系数低、电阻率高、介电常数较低、绝缘特性好以及耐热冲击等特性，可作为高温和大功率器件的封装材料。此外，其高的机械强度和热稳定性，可以作为一些复合材料的添加剂、增强剂以及催化剂载体或催化材料。总之，氮化三镍在气体传感、材料电池、高温陶瓷以及催化材料等领域具有广阔的应用前景。

目前，纳米氮化三镍粉末的制备方法主要有：1)超临界氮化法；2)氨解法；3)溶胶-凝胶法；4)磁控溅射法；5)化学气相沉积法。

超临界氮化法是反应温度在1550℃下，反应压力10gpa下，将镍粉在超临界氮气流体气氛中加热。该制备方法简单，但缺点明显，即金属镍在1450℃时开始熔化，大约在1500℃才开始与氮气反应。由于镍粉在超临界氮气流体下制备所需的设备要求高，在高温高压条件反应，其操作过程复杂，制备产品所需时间长，所以此方法很少被应用于实际生产。

氨解法是将六水合硝酸镍溶于去离子水中，再缓慢加入氨水中搅拌，制得蓝紫色溶液，然后将该溶液再蒸发干燥3周，研磨后在335℃下加热6h，最后在流动氨气气氛下200℃加热8h，即可制得氮化三镍。此方法原料来源广，产品纯度高，是一种较理想的制备氮化三镍粉末的方法，但其不足在于该方法的反应周期长，操作步骤复杂，且氨为反应物之一，易发生氨的逃逸等安全事故，故难以实现大规模工业化生产。

溶胶-凝胶法是指金属有机化合物或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再通过焙烧而形成氧化物或其他产物的方法。这种方法可以避免颗粒的过度生长以及在液相中的团聚，因此获得的粉体粒度分布窄，呈纳米级颗粒。该方法的优点是制备工艺简单，氮化温度低，氮化三镍产率高，纯度高且无杂相；其缺点是原料成本高，无法实现大规模工业化生产。

磁控溅射法是在磁场控制下产生辉光放电，在溅射室内加上与电场垂直的正交磁场，以磁场来改变电子的运动方向，电子的运动被限制在一定空间内，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率。电子经过多次碰撞后，丧失了能量成为“最终电子”进入弱电场区，最后到达阳极时己经是低能电子，不再会使基片过热。被溅射的原子到达衬底表面之后，经过吸附、凝结、表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核，晶粒长大后互相联结聚集，最后形成连续状薄膜。此方法具有高速、低温、低损伤等优点。高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。但此方法对设备要求高，且影响产品的因素多，不利于大规模制备。

化学气相沉积法是从气态金属卤化物(主要是氯化物)中还原化合沉淀，在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。该方法沉积成膜装置简单，可在大大低于其熔点或分解温度的沉积温度下制备氮化三镍，但沉积速率不高，参加沉积的反应源和反应后的余气易燃、易爆或有毒，因此需要采取防止环境污染的措施；对设备来说，往往还有耐腐蚀的要求。

综上所述，现有的方法和技术虽然成功地制备了纳米氮化三镍粉末，但存在对设备要求高、工艺过程复杂、制备时间长、能耗大、经济性差等不足。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是针对现有氮化三镍制备方法中存在的原料成本高、反应条件苛刻、工艺复杂、产品纯度低等问题，提供一种成本低廉、制备方法简单、产品纯度高的制备纳米氮化三镍粉末的方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：将固体镍源和固体氮源按照镍元素与固体氮源的摩尔比1:1～1:6混合均匀，在焙烧气氛中300～550℃焙烧1～6h，得到高纯度的纳米氮化三镍粉末。

上述方法中，优选将固体镍源和固体氮源按照镍元素与固体氮源的摩尔比1:2～1:4混合均匀。

上述的固体镍源为六水合硝酸镍、碳酸镍、硫酸镍、四水合乙酸镍中任意一种，优选六水合硝酸镍、四水合乙酸镍、碳酸镍中任意一种，更优选六水合硝酸镍或四水合乙酸镍。

上述的固体氮源为尿素、三聚氰胺中任意一种，优选三聚氰胺。

上述方法中，优选在焙烧气氛中400～500℃焙烧2～4h。

上述的焙烧气氛为氮气、氩气、氦气中任意一种。

上述方法制备的纳米氮化三镍的晶粒尺寸在10.0～35nm之间。

本发明所用原料廉价易得，制备方法简单，环境友好，制备的纳米氮化三镍粉末纯度高，稳定性好，具有工业化应用前景。

附图说明

图1是实施例1制备的氮化三镍粉末的xrd谱图与标准氮化三镍xrd谱图的对比图。

图2是实施例1制备的氮化三镍粉末的sem图。

图3是实施例1制备的氮化三镍粉末的tem图。

图4是实施例2制备的氮化三镍粉末的xrd谱图。

图5是实施例3制备的氮化三镍粉末的xrd谱图。

图6是实施例4制备的氮化三镍粉末的xrd谱图。

图7是实施例5制备的氮化三镍粉末的xrd谱图。

图8是实施例6制备的氮化三镍粉末的xrd谱图。

图9是实施例7制备的氮化三镍粉末的xrd谱图。

图10是实施例8制备的氮化三镍粉末的xrd谱图。

图11是实施例9制备的氮化三镍粉末的xrd谱图。

图12是实施例10制备的氮化三镍粉末的xrd谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。

六水合硝酸镍(分子式，[ni(no3)2]·6h2o)，cas号：13478-00-7。

四水合乙酸镍(分子式，ni(ch3coo)2·4h2o)，cas号：6018-89-9。

碳酸镍(分子式，nico3，cas号：3333-67-3。

硫酸镍(分子式，niso4·6(h2o)，cas号：10101-97-0。

尿素(分子式，ch4n2o)，cas号：57-13-6。

三聚氰胺(分子式，c3n3(nh2)3)，即1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺，cas号：108-78-1。

实施例1

将1.4543g(0.005mol)六水合硝酸镍和2.5224g(0.020mol)三聚氰胺研磨混合均匀，其中镍元素与三聚氰胺的摩尔比为1:4，在氮气气氛中480℃焙烧3小时，冷却至常温，得到纳米氮化三镍粉末。

由图1可见，所得样品的xrd衍射峰与标准ni3n衍射峰完全一致，没有其他任何峰，表明所制备的氮化三镍的纯度很高。在2θ值为44°的衍射峰位置利用谢乐公式计算的氮化三镍晶体尺寸为15.7nm，即表示于44°(111晶面)垂直方向晶体的晶粒平均值。由图2和图3可见，所制备的氮化三镍的颗粒较小，且分布均匀，从(110)晶面可以获得氮化三镍的晶面间距为0.21nm。

实施例2

将1.4543g(0.005mol)六水合硝酸镍和2.5224g(0.020mol)三聚氰胺研磨混合均匀，其中镍元素与三聚氰胺的摩尔比为1:4，在氮气气氛中500℃焙烧3小时，冷却至常温，得到纳米氮化三镍粉末(见图4)。在2θ值为44°的衍射峰位置利用谢乐公式计算的氮化三镍晶体尺寸为22.4nm。

实施例3

将1.4543g(0.005mol)六水合硝酸镍和1.8918g(0.015mol)三聚氰胺研磨混合均匀，其中镍元素与三聚氰胺的摩尔比为1:3，在氩气气氛中480℃焙烧3小时，冷却至常温，得到纳米氮化三镍粉末(见图5)。在2θ值为44°的衍射峰位置利用谢乐公式计算的氮化三镍晶体尺寸为23.1nm。

实施例4

将1.4543g(0.005,mol)六水合硝酸镍和3.7836g(0.030mol)三聚氰胺研磨混合均匀，其中镍元素与三聚氰胺的摩尔比为1:6，在氦气气氛中480℃焙烧3小时，冷却至常温，得到纳米氮化三镍粉末(见图6)。在2θ值为44°的衍射峰位置利用谢乐公式计算的氮化三镍晶体尺寸为27.9nm。

实施例5

将1.4543g(0.005mol)六水合硝酸镍和1.2612g(0.010mol)三聚氰胺研磨混合均匀，其中镍元素与三聚氰胺的摩尔比为1:2，在氮气气氛中480℃焙烧3小时，冷却至常温，得到纳米氮化三镍粉末(见图7)。在2θ值为44°的衍射峰位置利用谢乐公式计算的氮化三镍晶体尺寸为26.4nm。

实施例6

将1.4543g(0.005mol)六水合硝酸镍和2.5224g(0.020mol)三聚氰胺研磨混合均匀，其中镍元素与三聚氰胺的摩尔比为1:4，在氮气气氛中480℃焙烧4小时，冷却至常温，得到纳米氮化三镍粉末(见图8)。在2θ值为44°的衍射峰位置利用谢乐公式计算的氮化三镍晶体尺寸为33.3nm。

实施例7

将1.1870g(0.01mol)碳酸镍和2.4024g(0.04mol)尿素研磨混合均匀，其中镍元素与尿素的摩尔比为1:4，在氮气气氛中450℃焙烧3小时，冷却至常温，得到纳米氮化三镍粉末(见图9)。在2θ值为44°的衍射峰位置利用谢乐公式计算的氮化三镍晶体尺寸为26.4nm。

实施例8

将1.3142g(0.005mol)六水合硫酸镍和1.2012g(0.020mol)尿素研磨混合均匀，其中镍元素与尿素的摩尔比为1:4，在氮气气氛中480℃焙烧2小时，冷却至常温，得到纳米氮化三镍粉末(见图10)。在2θ值为44°的衍射峰位置利用谢乐公式计算的氮化三镍晶体尺寸为32.8nm。

实施例9

将1.2442g(0.005mol)四水合乙酸镍和1.2012g(0.020mol)尿素研磨混合均匀，其中镍元素与尿素的摩尔比为1:4，在氮气气氛中350℃焙烧3小时，冷却至常温，得到纳米氮化三镍粉末(见图11)。在2θ值为44°的衍射峰位置利用谢乐公式计算的氮化三镍晶体尺寸为15.8nm。

实施例10

将1.2442g(0.005mol)四水合乙酸镍和1.2012g(0.020mol)尿素研磨混合均匀，其中镍元素与尿素的摩尔比为1:4，在氮气气氛中400℃焙烧3小时，冷却至常温，得到纳米氮化三镍粉末(见图12)。在2θ值为44°的衍射峰位置利用谢乐公式计算的氮化三镍晶体尺寸为13.0nm。