专利名称：一种碳化钛纳米颗粒的制备方法
技术领域：
本发明属于无机材料技术领域，涉及一种利用溶胶-凝胶法和碳热还原工艺制备碳化钛纳米颗粒的制备方法。
背景技术：
碳化钛(TiC)具有许多优异的物理和化学性能，如高熔点、高硬度、低密度、耐腐蚀和氧化、高的杨氏模量、抗磨损、良好的导热性和抗热震性能，因而在切割材料、研磨和耐磨材料、航天材料等领域有广阔的应用空间。工业上一般采用二氧化钛和炭黑为原料，在2200° C左右碳热还原反应24小时来制备碳化钛。另外，碳化钛还可以通过镁热还原反应来制备，该方法制备温度较低，在90(Γ1100° C，但是镁的引入使得合成工艺更加烦杂，得到的碳化钛纯度有一定程度降低。而且，目前文献报道的碳化钛纳米颗粒较大，在IOOnm左右。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术存在的不足而提供一种碳化钛纳米颗粒的制备方法，该方法工艺简单，可以制备出粒径小，比表面积大的碳化钛纳米颗粒。本发明是通过如下技术方案实现的一种碳化钛纳米颗粒的制备方法，其具体步骤如下(I)将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠、乙醇按摩尔比为I : 2 (O. 002^0.01)(3. 5 10)混合均匀后在40 70° C下反应10 120分钟得到碳溶胶；(2)将钛源、硝酸、去离子水、乙醇按摩尔比为I (0.2 O. 4) (2 8) (15 35)混合均匀配成溶液；其中先将钛源、硝酸和总量25 75%的乙醇混合均匀，然后加入去离子水和剩余的乙醇配成溶液；在5 25° C下搅拌5 15分钟得到钛溶胶；(3)将步骤(I)中得到的碳溶胶与步骤(2)中得到的钛溶胶，按中间苯二酚与钛源的摩尔比为I : (O. 5^2)混合均匀后进行溶胶-凝胶反应得到湿凝胶；(4)将步骤(3)中得到的湿凝胶老化、常压干燥后得到碳化钛前驱体；(5)将步骤(4)中得到的碳化钛前驱体在惰性气体保护下于135(Tl550° C热处理f 10小时，得到含有余炭的碳化钛制品；(6)将步骤(5)中得到的含有余炭的碳化钛制品在空气中50(T700° C下煅烧2 4小时，经过盐酸洗涤、水洗、过滤、烘干，得到碳化钛纳米颗粒。优选所述的钛源为钛酸四丁酯或钛酸四乙酯中的一种。优选步骤(3)中所述的溶胶-凝胶反应的温度为2(T50° C ;反应时间为1(Γ40分钟。优选步骤(4)中所述的湿凝胶老化条件为在6(T75° C下老化I飞天；步骤(4)中所述的常压干燥条件为在5(T90° C下干燥2Γ48小时。优选步骤(5)中所述的惰性气体为氦气或氩气中的一种。
本发明制备的介孔碳化硅材料可以用于高温隔热材料、陶瓷复合材料、切割材料、耐磨材料、光催化材料、航天材料等领域。有益效果本发明方法制备的介孔碳化硅材料具有如下特点(I)原料廉价易得，工艺和设备简单，容易实现规模生产。(2)碳化钛纳米颗粒径小、比表面积较大。
图I为实例2制得的碳化钛纳米颗粒的XRD图谱。
具体实施例方式实例I(I)将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠、乙醇按摩尔比为I : 2 : 0.002 : 3. 5混合均匀后在40° C下预反应90分钟得到碳溶胶；(2)将钛酸四丁酯、硝酸、去离子水、乙醇按摩尔比为I : 0.2 : 4 : 27混合均匀配成溶液；其中先将钛酸四丁酯、硝酸和总量25%的乙醇混合均匀，然后加入去离子水和剩余的乙醇配成溶液；在5° C下反应10分钟得到钛溶胶；(3)将步骤(I)中得到的碳溶胶与步骤(2)中得到的钛溶胶混合均匀后在20°C下进行溶胶-凝胶反应40分钟得到湿凝胶，其中间苯二酚与钛酸四丁酯的摩尔比为I : I;(4)将步骤(3)中得到的凝胶在60° C下老化5天，然后在50° C下干燥48小时得到碳化钛前驱体；(5)将步骤(4)中得到的碳化钛前驱体在氩气保护下于1350° C热处理10小时得到含有余炭的碳化钛制品；(6)将步骤(5)中得到的含有余炭的碳化钛制品在空气中500° C下煅烧4小时，经过盐酸洗涤、水洗、过滤、烘干，得到碳化钛纳米颗粒。制得的碳化钛纳米颗粒的平均粒径为16nm，比表面积为197m2/g。实例2(I)将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠、乙醇按摩尔比为I : 2 : 0.01 : 10混合均匀后在50° C下预反应60分钟得到碳溶胶；(2)将钛酸四乙酯、硝酸、去离子水、乙醇按摩尔比为I : 0.4 : 8 : 35混合均匀配成溶液，其中先将钛酸四乙酯、硝酸和总量50%的乙醇先混合均匀，然后加入去离子水和剩余的乙醇，在5 ° C下反应15分钟得到钛溶胶；(3)将步骤(I)中得到的碳溶胶与步骤(2)中得到的钛溶胶混合均匀后在50°C下进行溶胶-凝胶反应25分钟得到湿凝胶，其中间苯二酚与钛酸四乙酯的摩尔比为I : 2;(4)将步骤(3)中得到的凝胶在75° C下老化I天，然后在60° C下干燥48小时得到碳化钛前驱体；(5)将步骤(4)中得到的碳化钛前驱体在氦气保护下于1450° C热处理8小时得到含有余炭的碳化钦制品；(6)将步骤(5)中得到的含有余炭的碳化钛制品在空气中600° C下煅烧3小时，经过盐酸洗涤、水洗、过滤、烘干，得到碳化钛纳米颗粒。制得的碳化钛纳米颗粒的平均粒径为23nm，比表面积为136m2/g。本发明实例制得的碳化钛纳米颗粒的XRD图谱如图I所示。XRD分析在美国热电集团ARL公司的ARLX' TRA型X线衍射仪上进行；采用CuK α衍射，λ = O. 15406nm,扫描速率5(° )/min。从图I可知，制备的碳化钛纳米颗粒的衍射峰的位置与碳化钛标准TOF卡片No. 2-1179中的衍射峰一致。实例3(I)将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠、乙醇按摩尔比为I : 2 : 0.005 : 7混合均匀后在40° C下预反应120分钟得到碳溶胶； (2)将钛酸四丁酯、硝酸、去离子水、乙醇按摩尔比为I : 0.3 : 2 : 15混合均匀配成溶液，其中先将钛酸四丁酯、硝酸和总量75%的乙醇先混合均匀，然后加入去离子水和剩余的乙醇，在25° C下反应5分钟得到钛溶胶；(3)将步骤(I)中得到的碳溶胶与步骤(2)中得到的钛溶胶混合均匀后在30°C下进行溶胶-凝胶反应30分钟得到湿凝胶，其中间苯二酚与钛酸四丁酯的摩尔比为I : 0.5;(4)将步骤(3)中得到的凝胶在70° C下老化2天，然后在90° C下干燥24小时得到碳化钛前驱体；(5)将步骤(4)中得到的碳化钛前驱体在氩气保护下于1500° C热处理5小时得到含有余炭的碳化钦制品；(6)将步骤(5)中得到的含有余炭的碳化钛制品在空气中700° C下煅烧2小时，经过盐酸洗涤、水洗、过滤、烘干，得到碳化钛纳米颗粒。制得的碳化钛纳米颗粒的平均粒径为25nm，比表面积为121m2/g。实例4(I)将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠、乙醇按摩尔比为I : 2 : 0.008 : 4混合均匀后在70° C下预反应10分钟得到碳溶胶；(2)将钛酸四丁酯、硝酸、去离子水、乙醇按摩尔比为I : 0.3 : 6 : 20混合均匀配成溶液，其中先将钛酸四丁酯、硝酸和总量50%的乙醇先混合均匀，然后加入去离子水和剩余的乙醇，在15 ° C下反应5分钟得到钛溶胶；(3)将步骤(I)中得到的碳溶胶与步骤(2)中得到的钛溶胶混合均匀后在50°C下进行溶胶-凝胶反应10分钟得到湿凝胶，其中间苯二酚与钛酸四丁酯的摩尔比为I : 1.5;(4)将步骤(3)中得到的凝胶在70° C下老化5天，然后在70° C下干燥48小时得到碳化钛前驱体；(5)将步骤(4)中得到的碳化钛前驱体在氩气保护下于1500° C热处理2小时得到含有余炭的碳化钦制品；(6)将步骤(5)中得到的含有余炭的碳化钛制品在空气中500° C下煅烧3小时，经过盐酸洗涤、水洗、过滤、烘干，得到碳化钛纳米颗粒。制得的碳化钛纳米颗粒的平均粒径为20nm，比表面积为169m2/g。实例5(I)将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠、乙醇按摩尔比为I : 2 : 0.007 : 5混合均匀后在60° C下预反应40分钟得到碳溶胶；
(2)将钛酸四乙酯、硝酸、去离子水、乙醇按摩尔比为I : 0.2 : 4 : 30混合均匀配成溶液，其中先将钛酸四乙酯、硝酸和总量50%的乙醇先混合均匀，然后加入去离子水和剩余的乙醇，在15° C下反应10分钟得到钛溶胶；(3)将步骤(I)中得到的碳溶胶与步骤(2)中得到的钛溶胶混合均匀后在40°C下进行溶胶-凝胶反应15分钟得到湿凝胶，其中间苯二酚与钛酸四乙酯的摩尔比为I : I;(4)将步骤(3)中得到的凝胶在65° C下老化4天，然后在80° C下干燥36小时得到碳化钛前驱体；(5)将步骤(4)中得到的碳化钛前驱体在氦气保护下于1550° C热处理I小时得到含有余炭的碳化钦制品；(6)将步骤(5)中得到的含有余炭的碳化钛制品在空气中600° C下煅烧3小时，经过盐酸洗涤、水洗、过滤、烘干，得到碳化钛纳米颗粒。 制得的碳化钛纳米颗粒的平均粒径为30nm，比表面积为110m2/g。
权利要求
1.一种碳化钛纳米颗粒的制备方法，其具体步骤如下 (1)将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠、乙醇按摩尔比为I 2 (0.002、. 01) (3. 5 10)混合均匀后在40 70° C下反应10 120分钟得到碳溶胶； (2)将钛源、硝酸、去离子水、乙醇按摩尔比为I: (0.2、. 4) (2^8) (15 35)混合均匀配成溶液；其中先将钛源、硝酸和总量25 75%的乙醇混合均匀，然后加入去离子水和剩余的乙醇配成溶液；在5 25° C下搅拌5 15分钟得到钛溶胶； (3)将步骤(I)中得到的碳溶胶与步骤(2)中得到的钛溶胶，按中间苯二酚与钛源的摩尔比为I : (0. 5^2)混合均匀后进行溶胶-凝胶反应得到湿凝胶； (4)将步骤(3)中得到的湿凝胶老化、干燥后得到碳化钛前驱体； (5)将步骤(4)中得到的碳化钛前驱体在惰性气体保护下于135(Tl550°C热处理f 10小时，得到含有余炭的碳化钛制品； (6)将步骤(5)中得到的含有余炭的碳化钛制品在空气中50(T700°C下煅烧2 4小时，经过盐酸洗涤、水洗、过滤、烘干，得到碳化钛纳米颗粒。
2.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的钛源为钛酸四丁酯或钛酸四乙酯中的一种。
3.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的溶胶-凝胶反应的温度为20 50° C ;反应时间为10 40分钟。
4.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于步骤(4)中所述的湿凝胶老化条件为在60 75°C下老化I 5天。
5.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于步骤(4)中所述的常压干燥条件为在50 90 ° C下干燥24 48小时。
6.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于步骤(5)中所述的惰性气体为氦气或氩气中的一种。
全文摘要
本发明属于无机材料和材料合成工艺领域，涉及一种碳化钛纳米颗粒的制备方法。本方法采用溶胶-凝胶法和碳热还原工艺制备碳化钛纳米颗粒。以间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠为原料制备碳溶胶，以钛酸四丁酯或钛酸四乙酯为反应物、硝酸、去离子水为原料制备钛溶胶，将碳溶胶和钛溶胶混合后进行溶胶-凝胶反应得到湿凝胶，湿凝胶经过老化、常压干燥得到碳化钛前驱体，碳化钛前驱体在惰性气体中碳热还原反应、空气中煅烧、盐酸浸泡、水洗、过滤、烘干，后得到碳化钛纳米颗粒。本发明具有原料廉价易得，设备简单，容易规模生产的优点，制备的碳化钛纳米颗粒粒径小、比表面积较大，可以用于高温隔热材料、陶瓷复合材料、切割材料、耐磨材料、光催化材料、航天材料等领域。
文档编号C01B31/30GK102674350SQ201210146070
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者仲亚, 孔勇, 崔升, 沈晓冬 申请人:南京工业大学