[发明专利]利用离子交换树脂同步合成过渡金属氮化物/石墨化碳的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成过渡金属氮化物/石墨化碳的方法。

背景技术

过渡金属氮化物一般是填隙式化合物，它们具有高熔点、高硬度、高温化学稳定性以及良好的导热、导电性，耐磨和抗腐蚀能力等性质，目前已广泛地应用于耐高温、耐磨损领域。被誉为“准铂催化剂”的过渡金属氮化物因其优良的催化活性已受到世界各国学者的广泛关注。过渡金属氮化物的制备方法有单质直接氮化法(1000-1300℃，反应20～25小时以上)、氧化物碳热还原(氮化)法(1200℃以上)、化学气相反应法(CVD法)、自蔓延高温(SHS)法等。金属氮化物的化学稳定性和良好的导电性使它们在电化学电极材料领域具有潜在的应用价值。

近年来晶态石墨化碳材料作为一种新兴的材料，它具有很好的导电性、较高的比表面积以及电化学稳定性能优异等优点，以其作为载体制备的金属化合物与石墨碳的复合物引起了广大研究者的兴趣。目前，传统工业制备石墨化碳材料的方法主要有：化学气相沉积法、催化热解法、等离子体法、电子束辐照法、电弧放电法、激光蒸发法及热分解含碳金属化合物等方法。然而这些方法通常反应条件苛刻、工艺复杂、产率低；所用原料多为苯、甲苯、乙炔、甲烷等从煤、矿石中提取的非可再生资源。此外，从制备工艺上来看，传统工业方法可合成石墨化碳材料，但反应过程需要在高温条件下(高于2000℃)进行、耗能大、成本高等不足，此制备石墨化碳材料的方法在很大程度上限制石墨化碳材料在商业方面的应用。众多研究表明，目前研究人员也通过较为简便可行的方法制得了具有优异性能的石墨化碳材料，如碳纳米管，石墨化介孔碳，以及诸多形貌的石墨化碳等，但是这些仅限于研究，离商业化应用还有一定的距离。

以晶态碳材料作为载体，制备其与不同金属化合物的复合体，以其优异的特点，在各领域均有潜在的应用价值，但在催化领域尤为突出。现阶段的研究显示，制备这种复合的催化剂一般通过两步法得到，首先是对载体的制备处理，然后才能实现金属化合物的负载；实验步骤的复杂性，会使复合材料的性质受到影响，因此，制备过程的简化是大家所重视的一个研究方向。

其中，金属氮化物与石墨化碳的复合材料，结合了两者的优点而广泛应用于生物化学传感器、超级电容器、锂离子电池、燃料电池及生物医药等诸多领域。但就其制备方法而言，传统方法通常采用分步制备，这无疑使成本提高、工艺复杂化，限制了它的发展与应用。因此，探索简便易行的合成方法来实现金属氮化物与石墨化碳材料的有效复合，从而提高其催化活性具有重要意义，同时也有利于其商业化进展。

发明内容

本发明利用离子交换树脂同步合成过渡金属氮化物/石墨化碳的方法，是按照以下步骤进行的：一、采用酸处理法或碱处理法对碳源进行预处理2～8h，得到预处理后的碳源；二、将浓度为0.01～0.3mol/L的石墨化催化剂和浓度为0.01～0.3mol/L的过渡金属盐类溶解在溶剂中，然后加入预处理过的碳源，搅拌2～24h，得到混合物；其中预处理过的碳源与石墨化催化剂的质量比为(1～10)∶1，预处理过的碳源与过渡金属盐类的质量比为(1～10)∶1；三、在空气或氧气气氛下，350℃条件下预碳化步骤二的混合物2～5h，得到预碳化的混合物；四、在5～20℃/min的升温速率下，升温至700～1300℃，然后对预碳化的混合物进行热处理1～8h，得到热处理后的混合物；热处理气体流量为100～800mL/min，其中热处理气氛为氨气、氮气、氩气、氦气、氢气和水蒸气中的一种或其中几种按比例混合；五、研磨热处理后的混合物，然后加入到酸溶液中进行酸处理，在80～140℃下回流5～10h，洗涤至pH为6～8，干燥得到过渡金属氮化物/石墨化碳，即完成利用离子交换树脂同步合成过渡金属氮化物/石墨化碳的方法；其中步骤一中的碳源为丙烯酸系弱碱性阴离子交换树脂、苯乙烯系强碱性阴离子交换树脂、两性离子交换树脂、环氧乙烯系阴离子交换树脂、具有配位基团的大孔树脂或具有配位基团的螯合树脂；步骤二中过渡金属盐类为钨源、钼源或钒源。

本发明通过氮化与石墨化同步进行的方法，原位合成了氮化钨(钼、钒)/石墨碳纳米复合体，与现有的合成方法相比，具有工艺简单，操作方便、安全易行，产量高的优势。并以阴离子交换树脂作为碳源，具有来源广泛、价格低廉、绿色环保的特点，降低了生产成本，对环境友好，所需设备简单，利于实现商业化。本发明的产品为纳米级的结构，具有尺寸小、分布均匀的特点，为其催化反应提供了较多的活性位点，同时具有类铂催化剂性质，还有较高的稳定性，因此在燃料电池电极催化剂材料方面具有广阔的应用价值。

附图说明