一种二维碳基合金及高熵合金纳米材料的制备方法

1.本发明涉及一种合金及高熵合金材料及其制备方法，尤其涉及一种二维碳基合金及高熵合金纳米材料的制备方法。


背景技术：

2.金属覆盖了元素周期表中75％以上的元素，因其在光学、电催化、能量存储与转换、电子、医学等领域的广泛应用而受到广泛认可。合金通常是指由两种或以上金属或非金属组成的固溶体。长期以来，合金化一直被用来赋予材料所需的特性。传统合金的设计理念以原子百分比超过50％的一种或两种金属元素为主，向主要元素添加相对少量的次要元素，通过各种加工和处理工艺得到不同的合金。我国台湾研究者叶均蔚早在1995年便提出高熵合金的构想，但直到2004才在期刊上正式提出了高熵合金的相关概念。高熵合金由于具有多种复杂效应，相比传统合金具有更优异的力学性能，如：高强度、高硬度和较高的耐磨性和抗氧化性，是金属新材料的重点研究方向。人们对单相、双相和多相结构进行了广泛的研究，取得了优异的性能，如高强度、高硬度、良好的耐磨性、耐蚀性和高温性能。这种方法可以处理的多维组成空间实际上是无限的，到目前为止只研究了很小的区域。尽管如此，一些高熵合金已经被证明具有超越常规合金的特殊性能，未来很可能会发现其他出色的高熵合金。高摘合金中高的混合熵利于降低体系自由能，降低其在凝固过程尤其高温时的有序和偏析倾向，有助于体系形成简单的固溶体相而不是结构复杂的金属间化合物。由于其独特的微观结构、好的热稳定性、对各种反应的优异催化活性，其在电/热催化、清洁能源转换中得到广泛应用。
3.合金及高熵合金通常可以通过以下几种方法合成：一是熔炼和铸造，可制备致密的固体铸件；二是粉末冶金路线，可制备粉末冶金材料；三是沉积技术，可制备薄膜及涂层等。很多合金及高熵合金制备条件苛刻，能耗较大，如何大规模生产合金及高熵合金材料以及如何降低应用生产成本也是人们一直努力的方向。为使合金及高熵合金可以在能源转换尤其是催化行业广泛，还需要满足导电性好、比表面积大、金属纳米颗粒分散性好等，而很多工艺还不能满足这些要求。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足与难题，本发明一是提供一种二维碳基合金及高熵合金纳米材料，二是提供一种二维碳基合金及高熵合金纳米材料制备方法。
5.本发明通过以下技术方案予以实现：
6.一种二维碳基合金及高熵合金纳米材料制备方法，其包括以下步骤：
7.(1)将三种及三种以上的过渡金属盐按等摩尔进行称重，溶解于三乙醇胺中，搅拌溶解。
8.(2)在上述溶液中入助剂硝酸铵，在恒温磁力搅拌器上100℃加热搅拌，至水分蒸发干净，得到棕褐色粘稠溶液。
9.(3)将所述棕褐色粘稠溶液放入设定温度为300℃的烘箱中。随着温度升高到200～250 之间，溶液骤然冒出大量浓烟并燃烧，温度瞬间升高到300℃，随着燃烧结束，温度开始下降，此时关闭烘箱，待烟雾散去，冷却，取出蘑菇云般蓬松的前驱体。
10.(4)将所述前驱体放入磁舟，置于管式炉中，连续抽取3次真空排净空气，再通入氩氢混合气(氢气占比10％)在500～800℃温度下还原2～3h，，其中，所述过渡金属盐的过渡金属生成的过渡金属氧化物能够被氢气还原，得到片状二维碳基高熵合金粉末。
11.在优选实施方式中，所述过渡金属盐包括过渡金属硝酸盐、过渡金属乙酸盐以及过渡金属氯化物中的任一种。
12.在优选实施方式中，溶液加热过程中既要保证水分蒸发彻底又要保证溶液上层不能沸腾，因此加热速度要慢，加热时间为0.5h。
13.在优选实施方式中，前驱体还原过程中升温速率不能过快，以保持样品二维形貌及金属颗粒分散均匀，一般选取2～4℃/min。
14.在优选实施方式中，所述过渡金属盐包括fe(no3)3·
9h2o、co(no3)2·
6h2o、ni(no3)2·
6h2o。
15.在优选实施方式中，所述过渡金属盐还包括cr(no3)3·
9h2o。
16.在优选实施方式中，所述过渡金属盐还包括cu(no3)3·
3h2o。
17.与现有技术相比，本发明有益效果包括：
18.本发明的二维材料以碳层为基底，负载金属合金及高熵合金，片层厚度只有几十纳米，合金及高熵合金颗粒只有10-20纳米，材料导电性好、比表面大、分散均匀。
19.本发明方法一步制备出碳基前驱体，方法简便，再通过后续还原处理就可得到二维碳基合金及高熵合金纳米材料。
附图说明
20.图1为本技术制备方法流程图。
21.图2为本技术实施例1-3提供的二维碳基合金和高熵合金纳米材料的xrd图谱；
22.图3为本技术实施例1-3提供的二维碳基合金和高熵合金纳米材料sem图；
23.图4为本技术实施例1-3提供的二维碳基合金和高熵合金纳米材料eds图。
具体实施方式
24.下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
25.实施例1
26.本实施例1提供一种二维碳基feconi合金纳米材料的制备方法，流程如图1所示，其包括如下步骤：
27.将0.01摩尔的fe(no3)3·
9h2o、co(no3)2·
6h2o、ni(no3)2·
6h2o分别依次加入装有30ml 的三乙醇胺的烧杯中，搅拌均匀，再加入2g的硝酸铵，将烧杯放置于带加热磁力搅拌器上进行加热搅拌，大约2小时，蒸发完水分，得到棕褐色粘稠溶液。将棕褐色粘稠溶液放入设定温度为300℃的烘箱中。随着温度升高到200～250℃之间，溶液骤然冒出大量浓烟并燃烧，温度瞬间升高到300℃，随着燃烧结束，温度开始下降，此时关闭烘箱，待烟雾散去，冷却，取出蘑菇云般蓬松的前驱体。将前驱体放入磁舟，置于管式炉中，连续抽取3次真空排净
空气，再通入氩氢混合气(氢气体积占比10％)在500～800℃温度下还原2～3h，得到片状二维碳基高熵合金粉末。
28.实施例2
29.本实施例2提供一种二维碳基feconicr合金纳米材料的制备方法，流程如图1所示，其包括如下步骤：
30.将0.01摩尔的fe(no3)3·
9h2o、co(no3)2·
6h2o、ni(no3)2·
6h2o、cr(no3)3·
9h2o分别依次加入装有40ml的三乙醇胺的烧杯中，搅拌均匀，再加入3g的硝酸铵，将烧杯放置于带加热磁力搅拌器上进行加热搅拌，大约2小时，蒸发完水分，得到棕褐色粘稠溶液。将棕褐色粘稠溶液放入设定温度为300℃的烘箱中。随着温度升高到200～250℃之间，溶液骤然冒出大量浓烟并燃烧，温度瞬间升高到300℃，随着燃烧结束，温度开始下降，此时关闭烘箱，待烟雾散去，冷却，取出蘑菇云般蓬松的前驱体。将前驱体放入磁舟，置于管式炉中，连续抽取3次真空排净空气，再通入氩氢混合气(氢气体积占比10％)在500～800℃温度下还原2～3h，得到片状二维碳基高熵合金粉末。
31.实施例3
32.本实施例2提供一种二维碳基feconicrcu合金纳米材料的制备方法，流程如图1所示，其包括如下步骤：
33.将0.01摩尔的fe(no3)3·
9h2o、co(no3)2·
6h2o、ni(no3)2·
6h2o、cr(no3)3·
9h2o、 cu(no3)3·
3h2o。分别依次加入装有45ml的三乙醇胺的烧杯中，搅拌均匀，再加入4g的硝酸铵，将烧杯放置于带加热磁力搅拌器上进行加热搅拌，大约2小时，蒸发完水分，得到棕褐色粘稠溶液。将棕褐色粘稠溶液放入设定温度为300℃的烘箱中。随着温度升高到200～250℃之间，溶液骤然冒出大量浓烟并燃烧，温度瞬间升高到300℃，随着燃烧结束，温度开始下降，此时关闭烘箱，待烟雾散去，冷却，取出蘑菇云般蓬松的前驱体。将前驱体放入磁舟，置于管式炉中，连续抽取3次真空排净空气，再通入氩氢混合气(氢气体积占比10％)在500～800℃温度下还原2～3h，得到片状二维碳基高熵合金粉末。
34.图2所示的为实施例1-3提供的二维碳基合金和高熵合金纳米材料的xrd图谱，从图中可以看出，二维碳基feconi合金、二维碳基feconicr合金及二维碳基feconicrcu高熵合金均表现出面心立方(fcc)结构。图3所示的为实施例1-3提供的二维碳基合金和高熵合金纳米材料sem图，从图中可以看出材料呈现出二维纳米薄片；图4所示的为实施例1-3提供的二维碳基合金和高熵合金纳米材料eds图，从图中可以看出，各金属元素均匀分散在二维碳基纳米片上。
35.以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。