氮掺杂碳化铌纳米片及其制备方法与流程

本发明涉及纳米材料及其制备技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳化铌纳米片及其制备方法。

背景技术：

碳化铌为灰棕色金属状粉末，熔点3490℃，沸点4300℃，是一种高熔点、高沸点、高硬度材料，同时其为三元、四元碳化物固溶物组分，与碳化钨、碳化钼配合，用于热锻模、切削工具、喷气发动机涡轮叶片、阀门、尾裙及火箭喷嘴涂层等。碳化铌已经在耐磨工具，医疗器械、半导体、工程陶瓷和化学材料中得到广泛应用。目前制备碳化铌的方法主要为：1)以五氧化二铌为原料制备碳化铌的还原法；2)以金属铌和炭黑为原料来制备碳化铌的直接法；3)以五氯化铌蒸气、氢气及甲烷的混合气为原料，制备碳化铌的气相反应法；4)以钴作辅助金属，选用Nb与Co按比例组成金属浴的辅助金属浴法；5)以五氯化铌蒸气和氢气的混合气体为原料的气相反应法；6)以金属铌为原料的碳化制取法。上述方法不仅制备成本较高，而且产物粒径较大。纳米碳化铌的合成虽有报道，但都是一维结构的碳化铌纳米线，而具备二维结构并且被氮掺杂的碳化铌纳米片至今少有报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种低成本、适于工业化生产的氮掺杂碳化铌纳米片及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的氮掺杂碳化铌纳米片采用如下的技术方案制备得到：

以Nb₂O₅为铌源，以三聚氰胺为氮源和碳源，以金属可溶性氯化物(M_x(Cl)_y)或其水合物(M_x(Cl)_y·nH₂O)为催化剂和助熔剂，控制Nb₂O₅、金属可溶性氯化物或其水合物、三聚氰胺的投料物质的量比为1：2～5：3～6，通过球磨使得Nb₂O₅、金属可溶性氯化物或其水合物、三聚氰胺充分混合均匀，取出、干燥后将其放入固定式管式气氛炉中，在惰性气氛下以4～10℃/min升温至900～1200℃，并保温1～3小时，随炉冷却，即得到所述的氮掺杂的碳化铌纳米片。

优选地，本发明的金属可溶性氯化物或其水合物为Fe、Co、Ni的可溶性氯化物或其水合物。

优选地，本发明的Nb₂O₅、金属可溶性氯化物或其水合物、三聚氰胺的物质的量比为1：2～4：4～6。

优选地，本发明的球磨使得反应物充分混合均匀的步骤为：将称量好的反应物直接放于球磨罐后，置于球磨机中进行球磨1～3小时，即充分混合均匀。更优选地，所述球磨机中进行球磨的速度为200r/min～300r/min。

优选地，本发明的惰性气氛为氩气气氛或氮气气氛。

优选地，本发明在惰性气氛下加热升温速率为5～8℃/min。

优选地，本发明在惰性气氛下加热升温至1000～1200℃进行保温。

优选地，本发明保温反应时间为1.5～2.5小时。

本发明的发明人惊奇地发现，以低成本的三聚氰胺为氮源和碳源，金属可溶性氯化物或其水合物为催化剂和助熔剂(金属M起到催化作用，氯元素起到一定的助熔剂作用)，Nb₂O₅为铌源，通过程序升温至特定的温度进行反应制备氮掺杂碳化铌，不仅能够得到具有二维结构的氮掺杂碳化铌纳米片，而且相对于以石墨烯为代表的二维结构中掺杂N或者B等元素研究二维结构纳米材料的方法操作简单，成本低廉，易实现产业化。

附图说明

图1为实施例1制备的氮掺杂碳化铌纳米片在15000放大倍数下的SEM图。

图2为实施例1制备的氮掺杂碳化铌纳米片在20000放大倍数下的SEM图。

图3为实施例2制备的氮掺杂碳化铌纳米片在5000放大倍数下的SEM图。

图4为实施例1制备的氮掺杂碳化铌纳米片的XRD图。

具体实施方式

下面申请人将结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，目的在于使本领域技术人员能够清楚地理解本发明。以下实施例不应在任何程度上被理解为对本发明保护范围的限制。本领域专业技术人员按本发明的思路修改制备类似的复合材料也在本发明保护范围的限制内。

实施例1

首先将1.3292g的Nb₂O₅，2.4748g的NiCl₂·6H₂O，3.1573g的C₃H₆N₆放于球磨罐中，于球磨机中球磨1小时，使其充分混合均匀。取出后，置于研钵中研磨至其成为粉末(研磨是为了更方便地进行性能表征，不研磨也不影响本发明的实施)，60℃下真空干燥20分钟。将干燥后的粉末放于石墨盒中，盖上盖，放在固定式管式气氛炉中(CVD管式炉)中，抽真空后通入氮气，设置参数，以5℃/min升温至1100℃，并保温2小时，随炉冷却得到最终产物。(见图1，图2)

实施例2

首先将1.3265g的Nb₂O₅，4.7534g的NiCl₂·6H₂O，3.1507g的C₃H₆N₆放于球磨罐中，于球磨机中球磨1小时，使其充分混合均匀。取出后，置于研钵中研磨至其成为粉末，60℃真空干燥20分钟。将干燥后的粉末放于石墨盒中，盖上盖，将其放在CVD管式炉中，抽真空后通入氩气，设置参数，以7℃/min升温至1200℃，并保温3小时，随炉冷却得到最终产物。(见图3)

实施例3

首先将1.3292g的Nb₂O₅，3.6754g的CoCl₂·6H₂O，3.1573g的C₃H₆N₆放于球磨罐中，于球磨机中球磨1小时，使其充分混合均匀。取出后，置于研钵中研磨至其成为粉末，60℃下真空干燥20分钟。将干燥后的粉末放于石墨盒中，盖上盖，放在CVD管式炉中，抽真空后通入氮气，设置参数，以5℃/min升温至1100℃，并保温2小时，随炉冷却得到最终产物。

实施例4

首先将1.3292g的Nb₂O₅，4.2054g的FeCl₃·6H₂O，3.1573g的C₃H₆N₆放于球磨罐中，于球磨机中球磨1小时，使其充分混合均匀。取出后，置于研钵中研磨至其成为粉末，60℃下真空干燥20分钟。将干燥后的粉末放于石墨盒中，盖上盖，放在CVD管式炉中，抽真空后通入氮气，设置参数，以5℃/min升温至1100℃，并保温2小时，随炉冷却得到最终产物。

从图1、图2、图3可以看出本发明产品具有二维片状结构。图3为实施例2制备的氮掺杂碳化铌纳米片在5000放大倍数下的SEM图，由该图可以发现制备出的样品具有类似石墨烯的二维片状结构，部分片状结构堆积在一起。图1为实施例1制备的氮掺杂碳化铌纳米片在15000放大倍数下的SEM图，由该图可以发现多层片状二维结构呈无序堆积状态。进一步放大20000倍后发现(图2)，单一二维纳米片长宽尺寸都达到微米级别。

图4为实施例1制备的氮掺杂碳化铌纳米片的XRD图，由图可以看出，本发明产品的X射线衍射峰对应的主要成分为Nb₂CN，同时还含有催化剂Ni峰以及残留C峰，且结晶性良好。