一种快速催化制备一维纳米碳化物的方法

本发明属于一维纳米材料，具体涉及一种基于焦耳热快速催化制备一维碳化物纳米材料的方法。

背景技术：

1、一维纳米材料包括纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带。与块体不同，具有特殊的光、电、磁、电化学等性质，被广泛应用于能源和功能复合材料、电子器件、轻质装甲等。例如碳化硅和碳化硼等碳化物纳米线具有高化学惰性、高导热系数、超高硬度和优异耐磨性，在极端环境下具有很好的应用前景。

2、合成一维纳米材料方法可分为溶液生长和气相生长两大类。气相生长主要包括碳热反应、前驱体热分解、化学气相沉积法等。碳热还原法通过高温在密闭的环境中制备碳化物纳米线，受限于反应温度和前驱体活性，得到的一维纳米材料往往粗细不均一，长度较短。自wagner的开创性工作以来，著名的气-液-固生长机制被广泛研究。气态反应物溶解在液态金属催化剂中。一旦催化剂过饱和，产物就会在固液界面处析出生长。此种方法合成的一维纳米材料的直径由催化剂颗粒的直径所决定，是获得均匀尺寸纳米材料的有效途径。但目前所报道气相生长方法都需要依靠高温炉长时间运行来产生气态反应物，反应的能耗大。例如在制备碳化物纳米线的过程中，由于碳化物熔点高、化学惰性，往往需要将反应前驱体在一千度以上进行数小时甚至数十小时的高温热解，该过程耗费大量的能量和时间。

3、因此，发展一种低能耗、成本低廉、反应快速、产物纯度高的方法来制备一维纳米碳化物，对于其大规模生产和应用以及节能减排具有重要的意义。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明基于反应物自身在通电下产生焦耳热的现象，提供了一种能够快速升温至1000℃以上，催化制备一维纳米碳化物的方法。该方法可以在几十秒内制备得到尺寸均匀的一维纳米碳化物，产品纯度高，品质高。制备时间较传统的2小时以上的制备缩短至几十秒，工艺过程简单，更容易控制和操作，安全、绿色，具有良好的应用前景。

2、本发明的目的在于提供一种快速催化制备一维纳米碳化物的方法。所述方法中，反应原料与碳材料在加热条件下，气态反应物，在催化剂作用下，反应，得到一维纳米材料。反应原料与碳材料在电流作用下产生焦耳热并迅速升温，产生气态反应物，这些气态分子在催化剂作用下，遵循气-液-固反应机理生成一维纳米碳化物。一维纳米碳化物为纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带。

3、催化剂或催化剂的前驱体选自含有过渡金属元素的物质中的一种或几种，优选选自铁、钴、镍单质和化合物中的一种或几种。

4、所述碳材料选自含碳单质的材料，优选选自导电炭黑、石墨化碳和生物质碳中的一种或几种。

5、所述反应原料为金属氧化物、非金属单质和非金属氧化物、高分子塑料中的一种或几种，优选为钽的氧化物、钛的氧化物、硅粉、二氧化硅、硼粉和硼的氧化物、锆的氧化物、铪的氧化物、铌的氧化物中的一种或几种。

6、所述加热温度为900℃以上，优选为1000-2800℃。所述升温速率大于1000℃/s。所述加热时间为5-80s，优选为10-70s，更优选为20-40s。

7、本发明的目的还在于提供一种一维纳米碳化物，利用所述快速催化制备一维纳米碳化物的方法制备得到，所述一维纳米材料为纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带，优选为以sic纳米线、b4c纳米线为代表的共价型碳化物，以tic纳米棒、tac纳米棒为代表的金属型碳化物，以tihfnbtac为代表的高熵碳化物纳米线。

8、本发明具有以下有益效果：

9、(1)本发明将含有催化剂或催化剂的前驱体的反应原料及碳材料置于两个电极间，实现焦耳热快速稳定的制备得到一维纳米碳化物，大幅缩短传统方法中制备时间。

10、(2)本发明的制备方法，反应温度高，工艺操作简单、快速，更加容易控制，成本低廉，原料纯度要求低、来源广泛，可实现低成本的制备。

11、(3)本发明的制备方法可用于制备得到各种一维纳米材料，产品质量好，纯度高，尺寸均一、可控，制得的产品应用范围广。

技术特征：

1.一种快速催化制备一维纳米碳化物的方法，所述方法中，反应原料与碳材料在加热条件下，形成气态反应物，在催化剂作用下，反应，得到一维纳米碳化物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，催化剂或催化剂的前驱体选自含有过渡金属元素的物质中的一种或几种，优选选自铁、钴、镍单质和化合物中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳材料选自含碳单质的材料，优选选自导电炭黑、石墨化碳和生物质碳中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应原料为金属氧化物、非金属单质和非金属氧化物中的一种或几种，优选为钽的氧化物、钛的氧化物、硅粉、二氧化硅、硼粉和硼的氧化物、锆的氧化物、铪的氧化物、铌的氧化物中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热包括焦耳热加热，所述焦耳热加热利用碳材料在电流作用下产生焦耳热进行。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用碳材料膜包裹反应前驱体，并利用两个碳材料堵头将其密封于反应容器中，两个碳材料堵头分别与电源正负极连接，通入电流，反应得到一维纳米碳化物，

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将含有过渡金属元素的物质溶解或分散于溶剂中，加入反应原料和/或碳材料，混合，分离去除溶剂，干燥；干燥后，任选地，加入碳材料，混合；得到反应前驱体。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

10.一种采用权利要求1所述快速催化制备一维纳米碳化物的方法制备得到的一维纳米碳化物，其特征在于，所述一维纳米碳化物为纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带，优选为以sic纳米线、b4c纳米线为代表的共价型碳化物，以tic纳米棒、tac纳米棒为代表的金属型碳化物，以tizrhfnbtac为代表的高熵碳化物纳米线。

技术总结
本发明提供了一种快速催化制备一维纳米碳化物的方法。在催化剂作用下，反应原料与碳材料在电流作用下产生焦耳热快速升温，产生气态反应物，在催化剂的作用下遵循气‑液‑固反应机理生成一维纳米碳化物。该方法反应时间短，能耗低；产物纯度高、尺寸均匀可控，对于工业化应用具有显著的优势。

技术研发人员：李彦,盛建,许一凡,韩祯
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24