[发明专利]一种纳米碳化二钨颗粒及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米碳化二钨颗粒及其制备方法和应用，将三氧化钨粉末与尿素以一定质量比例在研钵中研磨并均匀混合，然后将其转移至坩埚中；制备纳米碳化二钨颗粒：将混合均匀的粉末在惰性气氛下进行热处理，得到W₂C纳米颗粒。本发明的方法工艺简单、易控、节约能源，获得的碳化二钨颗粒均匀、结晶度高且没有其他杂相生成，并且能够实现适合大规模生产，具有良好的电化学性能。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种纳米碳化二钨颗粒及其制备方法和应用。

背景技术

钨碳化物(W_XC)具有熔点高，导热性好和优异的强度。不仅可以作为催化剂载体和工程结构材料,而且可以在恶劣的环境中稳定运行,如高温液体过滤器,高电流密度阴极材料,发射器电子发射装置的离子引擎。而最近已引起关注是在电催化析氢产氢中作为贵金属电催化剂的替代材料。

在W-C系统中，主要相是碳化钨(WC)和碳化二钨(W₂C)。碳化二钨作为阴极催化剂的优势是它不仅具有催化性可以取代Pt、Pd、Ru等贵金属，而且不易被CO毒化。因此，碳化二钨催化剂可以部分或者一定程度上节省Pt、Pd、Ru等贵重金属，具有广阔的应用前景。

目前为止，已经报道了许多获得纯相WC的制备方法，，然而纯相W₂C的制备方法还很少报道，主要是因为纯相W₂C的合成要求更高，通常是将金属前驱体与气体碳(例如CH₄，C₂H₆或CO)进行高温(＞700℃)还原制备的，会无法控制的颗粒烧结，导致材料表面积极低。其次，引入过量的气态碳前驱体也可能使催化剂表面发生大量焦化，严重恶化其催化性能。因此W₂C的制备方法只能在较窄的成分和温度范围内实现，且由于碳化二钨制备方法过于繁琐等，以及产物多有杂相等，因此它的应用受到了限制。现有一种是将WO₃·xH₂O(0≤x≤3)纳米片放入反应炉中，先通NH₃进行氮化，然后通入CO/CO₂混合气体，升温至650-1000℃，保温反应1-30h制得多级多孔碳钨化合物微纳米粉体。该方法中若要得到纯物相W₂C则需在800℃以上。若是在800℃以下得到的产物物相则为WC_1-X。2017年中科院Abbas等利用钨酸氨和三聚氰胺在以1：4的质量比混合后再在氩气气氛中800℃热处理得到的是W2C-NC-WN混合物，其在电化学析氢测试中在碱性环境下电流密度10mA/cm²的过电位为145.1mv，塔菲尔斜率为96.4mv/dec。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种纳米碳化二钨颗粒及其制备方法和应用，采用尿素作为碳源以及三氧化钨粉末为钨源，此工艺简单、易控、节约能源，产物物相单一，不存在其他的物相，获得的碳化二钨颗粒均匀，具有良好的电化学性能，实现对制备碳化二钨工艺的拓展及电化学析氢性能的优化。

本发明采用以下技术方案：

一种纳米碳化二钨颗粒的制备方法，将三氧化钨粉末与尿素研磨后均与混合制得混合物，然后在惰性气氛下，将混合物放入低温管式炉中进行煅烧，经自然冷却后得到W₂C纳米颗粒。

具体的，三氧化钨粉末与尿素的质量比为1:(1～3)。

具体的，惰性气氛为N₂气氛。

具体的，煅烧处理的温度为600～800℃，升温速率为1～8℃/min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，煅烧处理后保温1～4h，然后自然冷却。

本发明的另一个方案是，一种纳米碳化二钨颗粒，W₂C纳米晶体为颗粒或片状结构。