专利名称：一种多级多孔碳钨化合物微纳米粉体及其制备方法
技术领域：
本发明属 于纳米结构材料与先进功能材料领域，具体涉及一种多级多孔碳钨化合物微纳米粉体及其制备方法。
背景技术：
超细/纳米硬质合金由于具有纳米或超细晶粒结构，表现出常规材料不具备的高强度，高韧性，高硬度以及良好的耐磨性、耐热蚀性等优良的性能，在材料加工，切削工具材料，航空航天以及军工武器方面有广泛的应用，是硬质合金领域发展的主要趋势之一，碳化钨微纳米粉体是超细硬质合金的重要原料。自从1973年Levy和Boudart首次报道了 WC具有与Pt等贵金属类似的面催化性能，WC作为燃料电池的贵金属催化剂以及光催化水解制氢贵金属助催化剂替代材料也倍受关注。碳化钨微纳米粉体具有高的比表面积，有利于提高其在催化方面的性能及作为催化剂载体的优势。目前关于零维和一维WC微纳米晶制备已有不少报道，但至今仍没有关于具有多级多孔结构碳化钨层片状微纳米晶的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种多级多孔碳钨化合物微纳米粉体及其制备方法。本发明采用以下技术方案
一种多级多孔碳钨化合物微纳米粉体，该碳钨化合物微纳米粉体呈多级多孔的片层结构，物相为wc、W2C、WCh或者它们的混合物。所述片层结构的表观面积为(100 — 2000) nm X (100 — 2000) nm，表观厚度为 5 - 100 nm ；片层结构的比表面积为15 — 80 m2/g，气孔率为10 — 30%。多级多孔碳钨化合物微纳米粉体的制备方法，包括以下步骤以钨酸基无机_有机混杂层状化合物为前驱物，在含碳气氛中，经650 — 1000°C下的反应1 一 30 h得到；或以TO3 · ^rH2O纳米片为前躯体，先在NH3中氮化，然后在含碳气氛中，经650 — 1000°C下反应1 一 30 h得到。制备步骤为将钨酸基无机-有机混杂层状化合物放入反应炉中，先通保护气体排出空气，再通入C0/C02混合气体，升温至650 — 1000°C，升温速度为1 一 100°C /min，保温反应1 一 30 h制得多级多孔碳钨化合物微纳米粉体；或将WO3 · XH2O (O^x^ 3)纳米片放入反应炉中，先通保护气体排出空气，再通入NH3升温至450 - 650°C、保温0. 5 — IOh氮化，然后通入C0/C02混合气体，升温至650 — 1000°C，升温速度为1 一 100°C /min，保温反应 1-30 h制得多级多孔碳钨化合物微纳米粉体。所述碳钨化合物微纳米粉体的物相为WC时，通入C0/C02混合气体后升温至650 — 8000C，保温5 — 15h制得多级多孔WC微纳米粉体。所述碳钨化合物微纳米粉体的物相为W2C时，通入C0/C02混合气体后升温至800 — IOOO0C，保温1 一 3h制得多级多孔W2C微纳米粉体。
所述碳钨化合物微纳米粉体的物相为WCh时，通入co/co2混合气体，升温至 650- 7800C，保温1 一 3h制得多级多孔WC^x微纳米粉体。C0/C02混合气体中CO与CO2的体积比为6-10 1。保护气体 为CO2、N2或Ar。所述反应炉为管式气氛炉或箱式气氛炉。本发明中所用的钨酸基无机_有机混杂层状化合物是以钨酸和有机胺为反应物、 在非极性溶剂中反应得到；有机胺与钨酸中W原子的摩尔比为2 30，非极性溶剂与有机胺的体积比为2 30，反应温度为1(T4(TC，反应时间为1(T120 h，所得产物经固液分离后室温干燥得白色粉末状钨酸基无机_有机混杂层状化合物；钨酸为WO3 XH2O或H2W2O7 XH2O,
；有机胺为直链烷基胺CH3 (CH2)flNH2,4 ( 18 ；非极性溶剂为液态烷。本发明中的WO3 · XH2O (0彡ζ彡3)纳米片是以钨酸基无机-有机混杂层状化合物为前驱物，经与硝酸室温下反应10 — 120h制得，硝酸的摩尔浓度为1-lOmol/L，反应完毕后过滤、洗涤滤饼、200°C以下干燥得H2WO4 · XH2O (03)纳米片，将H2WO4 · ^H2O纳米片在 200 - 800°C 下煅烧 0. 5 — 10 h 制得 WO3 · ^H2O (0 ^ 3)纳米片。本发明以钨酸基无机-有机混杂层状化合物或WO3 ·χΗ20(03)纳米片为前驱体，在co/co2混合气体中，通过控制升温反应制得了多孔多级、片层结构的碳钨化合物微纳米粉体，物相为WC、W2C、WCh或者它们的混合物；其片层结构的表观面积为(100 - 2000) nm X (100 - 2000)nm，表观厚度为5 — 100 nm ；片层结构的比表面积为15 — 80 m2/g，气孔率为10 — 30%。本发明所采用的钨酸基无机_有机混杂层状化合物前躯体中无机单层的WO6和有机胺交替排列，在升温过程中有机胺裂解生成的碳包裹在WC表面，有效阻止了其晶粒的长大，带状前躯体的空间位阻效应使得其二次结构仍为带状，分散良好，没有团聚。本发明所采用的WO3^rH2O (0彡ζ彡3)纳米片分散性良好、尺寸均一，二维的WO3 纳米片由于空间位阻效应可以保持良好的分散状态，不易发生团聚，由于WO3的密度比W2N 小很多，在生成氮化钨的过程中，先生成的氮化钨阻止了单晶WO3纳米片的收缩，使得生成的W2N产物为由更小的纳米颗粒连接而成的二维多级W2N微纳米结构；二维多级W2N微纳米结构在后续的C0/C02混合气体中发生碳化反应形成多级多孔碳钨化合物微纳米粉体。本发明制得的多级多孔、片层结构的碳钨化合物微纳米粉体在作为增强体用于耐磨材料或切削工具时，这种结构有利于提高增强体与基体材料的结合力；在作为催化剂和助催化剂时，易于分散的二维片层结构、多级多孔结构以及高比表面积更有利于催化剂催化性能的提高，此外，由纳米颗粒组成的多孔微纳米片体积较大，有利于回收再利用。本发明中，以具有空间位阻的片状结构为前驱物，在氮化/碳化反应过程，刚性的片层结构骨架保持基本不变；另一方面，应前后物相变化，它们的密度明显增大，而颗粒表观体积基本不变，因此，形成多级多孔结构以达到物相变化与体积恒定的调和。
图1为实施例1所得钨酸基无机_有机混杂层状化合物的XRD图谱； 图2为实施例1所得钨酸基无机-有机混杂层状化合物的SEM照片；
图3为实施例2所得钨酸基无机_有机混杂层状化合物的XRD图谱；图4为实施例2所得钨酸基无机-有机混杂层状化合物的SEM照片； 图5为实施例3所得样品的XRD图谱； 图6为实施例4所得样品的XRD图谱； 图7为实施例5所得样品的XRD图谱； 图8为实施例6所得样品的XRD图谱； 图9为实施例6所得样品的SEM照片； 图10为实施例7所得碳化钨微纳米粉体的XRD图谱； 图11为实施例7所得碳化钨微纳米粉体的SEM照片； 图12为实施例7所得碳化钨微纳米粉体的FE-SEM照片； 图13为实施例8所得碳化钨微纳米粉体的XRD图谱； 图14为实施例8所得碳化钨微纳米粉 体的FE-SEM照片； 图15实施例7所得碳化钨微纳米粉体的HRTEM照片； 图16实施例8所得碳化钨微纳米粉体的TEM照片。
具体实施例方式实施例1
称取30ml正辛胺，240ml正庚烷放入500 ml锥形瓶中，将二者混合均勻后，加入9. 09 g H2WO4,边加边剧烈搅拌，开始为黄色悬浊液，随着时间的延长，悬浊液的颜色逐渐变淡，最后变为白色，搅拌24 h，静置48 h，将白色悬浊液固液分离，用无水乙醇洗涤固相5次，室温下减压干燥30 h，得到18. 8 g钨酸基无机-有机混杂层状化合物。图1为其XRD图谱，低衍射角(2 θ <20° )区域出现的强衍射峰可以归属为(007)晶面的衍射，表明该产物具有典型的二维层状结构。图2为其SEM图，可以看出其为长约5 10 μπι，宽厚约0.5μπι的带状结构。实施例2
称取20ml正辛胺，160ml正庚烷放入250 ml锥形瓶中，将二者混合均勻后，加入3mL 蒸馏水和6. 06 g H2WO4的均勻混合物，边加边剧烈搅拌，开始为黄色悬浊液，随着时间的延长，悬浊液的颜色逐渐变淡，最后变为白色，搅拌24 h，静置48 h，将白色悬浊液固液分离， 用无水乙醇洗涤固相5次，室温下减压干燥30 h，得到10.1 g钨酸基无机-有机混杂层状化合物。图3为其XRD图谱，低衍射角(2 θ <20° )区域出现的强衍射峰可以归属为(00乃晶面的衍射，表明该产物具有典型的二维层状结构。图4为其SEM图，可以看出其为边长约为0.8 μ m的片状结构。实施例3
取0. Sg实施例1所得钨酸基无机-有机混杂层状化合物置于Al2O3陶瓷片上，将其放入炉管中央靠近热电偶位置，先通入C0230min，排除管内残留空气，然后通入C0/C02混合气体(CO与CO2的体积比为10:1)，升温至700°C保温3h，自然冷却至室温，得到黑色粉体。图 5为其XRD图谱，可以看出所得样品为六方相WC^ (JCPDS card No. 20-1316)。实施例4
取0. Sg实施例1所得钨酸基无机-有机混杂层状化合物置于Al2O3陶瓷片上，将其放入炉管中央靠近热电偶位置，先通入N2 30min，排除管内残留空气，然后通入C0/C02混合气体(CO与CO2的体积比为6:1)，升温至750°C保温5h，自然冷却至室温，得到黑色粉体。图6 为其XRD图谱，可以看出所得样品为六方相WC (JCPDS card No. 51-0939)和W2C (JCPDS card No. 35-0776)的混合物。实施例5
取0. Sg实施例2所得钨酸基无机-有机混杂层状化合物置于Al2O3陶瓷片上，将其放入炉管中央靠近热电偶位置，先通入C0230min，排除管内残留空气，然后通入C0/C02混合气体(CO与CO2的体积比为10:1)，升温至750°C保温10h，自然冷却至室温，得到黑色粉体。 图7为其XRD图谱，可以看出所得样品为六方相WC (JCPDS card No. 51-0939)，SEM照片显示其为粒径分布十分不均的直径0. 3-IOum的多孔微球。实施例6
取0. Sg实施例1所得钨酸基无机-有机混杂层状化合物置于Al2O3陶瓷片上，将其放入炉管中央靠近热电偶位置，先通入N2 30min，排除管内残留空气，然后通入C0/C02混合气体(CO与CO2的体积比为10:1)，升温至850°C保温2h，自然冷却至室温。图8为所得样品的XRD图谱，可以看出其为六方相W2C (JCPDS card No. 35-0776)。图9为所得样品的SEM 照片，可以看出样品呈多级多孔结构。实施例7
取0. Sg实施例1所得钨酸基无机-有机混杂层状化合物置于Al2O3陶瓷片上，将其放入炉管中央靠近热电偶位置，先通入Ar30min，排除管内残留空气，然后通入C0/C02混合气体(C0与CO2的体积比为10:1)，升温至750°C保温10h，自然冷却至室温，得到黑色粉体。图 10为其XRD图谱，可以看出所得样品为六方相WC (JCPDS card No. 51-0939)，没有杂质峰的出现。图11、图12和图15分别为其SEM照片、FE-SEM照片和HRTEM照片，可以清楚看至IJ，产物由为大小2-10纳米的晶粒组成的具有多级多孔碳化钨层片状微纳米粉体，其表观面积为(100 — 2000) nm X (100 — 2000) nm，表观厚度为 20 — 100 nm，比表面积 78. 90 m2/g，气孔率 24.71%。实施例8
取IOg实施例2所得钨酸基无机-有机混杂层状化合物，缓慢倒入500mL、摩尔浓度为 l-10mol/L硝酸溶液中，边加边剧烈搅拌，开始为白色悬浊液，随着时间的延长，悬浊液的颜色逐渐变淡黄色，最后变为亮黄色，搅拌48h，静置24h，将黄色悬浊液固液分离，用蒸馏水洗涤固相5次，无水乙醇洗涤固相3次，120°C干燥10 h，得到4. 8 g亮黄色固体H2WO4 ·χΗ20 纳米片，将其置于坩埚内400°C煅烧2h，得到WO3纳米片4. 7g。称取3. QgffO3纳米片置于Al2O3陶瓷片上，将其放入炉管中央靠近热电偶位置，先通入C0230min，排除管内残留空气，然后通入NH3,升温至650°C，保温2h，再通入C0/C02混合气体(C0与CO2的体积比为10:1)升温至750°C，保温10h，自然冷却至室温，得到黑色粉体。图13为其XRD图谱，可以看出所得样品为六方相WC( JCPDS card No. 51-0939)，没有杂质峰的出现。图14为其SEM照片，可以清楚看到其为由较小纳米片组成的尺寸均一的具有多级结构的碳化钨多孔微纳米片，其表观面积为(100 — 500) nm X (100 — 500) nm，表观厚度为5 — 10 nm ；其BET比表面积为19. 54 m2/g，气孔率为15. 37% ；图16的TEM照片显示，产物一次晶粒大小为20-30 nm。实施例9与实施例6不同之处在于，升温至1000°C保温lh。实施例10
与实施例3不同之处在于，升温至780°C保温lh。实施例11
与实施例4不同之处在于，升温至650°C保温15h。实施例3-11中升温时，500°C以下时升温速度为25_80°C /min，500°C以下时升温速度为 5-25°C /min。本发明中所用仪器型号
X射线衍射分析(XRD)北京普析通用； 扫描电子显微镜(SEM) :QUANTA-200 (荷兰)； 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM) :Nova-230 (FEI)； 高分辨透射电子显微镜(HRTEM) JEM-2100 (日本电子)。
权利要求
1.一种多级多孔碳钨化合物微纳米粉体，其特征在于该碳钨化合物微纳米粉体呈多级多孔的片层结构，物相为WC、W2C、WCh或者它们的混合物。
2.如权利要求1所述的多级多孔碳钨化合物微纳米粉体，其特征在于所述片层结构的表观面积为(100 - 2000)nm X (100 - 2000)nm，表观厚度为5 — 100 nm ；片层结构的比表面积为15 - 80 m2/g，气孔率为10 — 30%。
3.—种权利要求1或2所述的多级多孔碳钨化合物微纳米粉体的制备方法，其特征在于包括以下步骤以钨酸基无机_有机混杂层状化合物为前驱物，在含碳气氛中，经650 — 1000°C下的反应1一30 h得到；或以WO3 · ^rH2O (0彡ζ彡3)纳米片为前躯体，先在NH3中氮化，然后在含碳气氛中，经650 — 1000°C下反应1 一 30 h得到。
4.如权利要求3所述的多级多孔碳钨化合物微纳米粉体的制备方法，其特征在于制备步骤为将钨酸基无机-有机混杂层状化合物放入反应炉中，先通保护气体排出空气，再通入0)/0)2混合气体，升温至650 — 1000°C，升温速度为1 一 100°C/min，保温反应1 一 30 h 制得多级多孔碳钨化合物微纳米粉体；或将WO3 · XH2O纳米片放入反应炉中， 先通保护气体排出空气，再通入NH3升温至450 - 650°C、保温0.5 — IOh氮化，然后通入 C0/C02混合气体，升温至650 — IOOO0C，升温速度为1 一 100°C /min,保温反应1 一 30 h制得多级多孔碳钨化合物微纳米粉体。
5.如权利要求4所述的多级多孔碳钨化合物微纳米粉体的制备方法，其特征在于所述碳钨化合物微纳米粉体的物相为WC时，通入C0/C02混合气体后升温至650 — 800°C，保温 5- 15h制得多级多孔WC微纳米粉体。
6.如权利要求4所述的多级多孔碳钨化合物微纳米粉体的制备方法，其特征在于所述碳钨化合物微纳米粉体的物相为W2C时，通入co/co2混合气体后升温至800 — IOOO0C，保温1一 3h制得多级多孔W2C微纳米粉体。
7.如权利要求4所述的多级多孔碳钨化合物微纳米粉体的制备方法，其特征在于所述碳钨化合物微纳米粉体的物相为WCh时，通入C0/C02混合气体，升温至650 — 7800C，保温1一 3h制得多级多孔WCh微纳米粉体。
8.如权利要求4所述的多级多孔碳钨化合物微纳米粉体的制备方法，其特征在于C0/ CO2混合气体中CO与CO2的体积比为6-10:1。
9.如权利要求3至8任一项所述的多级多孔碳钨化合物微纳米粉体的制备方法，其特征在于保护气体为C02、N2或八！·。
10.如权利要求3至8任一项所述的多级多孔碳钨化合物微纳米粉体的制备方法，其特征在于所述反应炉为管式气氛炉或箱式气氛炉。
全文摘要
本发明属于纳米结构材料与先进功能材料领域，具体涉及一种多级多孔碳钨化合物微纳米粉体及其制备方法。该碳钨化合物微纳米粉体呈多级多孔的片层结构，物相为WC、W2C、WC1-x或者它们的混合物。本发明制得的多级多孔、片层结构的碳钨化合物微纳米粉体在作为增强体用于耐磨材料或切削工具时，这种结构有利于提高增强体与基体材料的结合力；在作为催化剂和助催化剂时，易于分散的二维片层结构、多级多孔结构以及高比表面积更有利于催化剂催化性能的提高，此外，由纳米颗粒组成的多孔微纳米片体积较大，有利于回收再利用。
文档编号B82Y30/00GK102320601SQ201110270750
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月9日
发明者尹莉, 张光飞, 张毅, 张锐, 李涛, 温合静, 翟海涛, 陈倩, 陈德良, 高佳冰 申请人:郑州大学