纳米碳(氮)化物的制备与应用
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1.3.4 气-固反应法

气-固反应法是将铬的硫化物、铬的氯化物、铬的氧化物、金属铬粉或其他铬的化合物作为铬源,在高温与NH3或NH3与N2的混合气体反应生成氮化铬的方法。

用作催化剂及催化剂载体或是作为高性能电极材料的氮化钒需要高的比表面积,因此制备此类氮化钒时往往通过获得纳米级颗粒来确保高的比表面积。含氧量较高的V2O5和气体还原剂是较为理想的原料,通过程序升温控制还原反应进程,在一定程度上保留V2O5的拓扑结构,实现高比表面积[99]。Krawiec[100]等将V2O5与十六烷基胺和丙酮混合、搅拌,形成黏性物质后,将H2O2溶液加入其中形成泡沫。将泡沫干燥后放入石英管内,在流动NH3气氛中加热到180℃,保温2h,获得具有高比表面积(80~190m2/g)的氮化钒晶体。Glushenkov[101]等使用程序升温的方法,将V2O5置于管式炉内,通入NH3在700℃下还原氮化1h,获得了多孔氮化钒纳米晶颗粒。

硫化物作为铬源也是气-固反应制备氮化铬常用的一种手段。Tessier[102]等将预先制备好的硫化铬置于马弗炉中,在40L/h流动NH3条件下,以1℃/min的升温速率升温到900℃,保温2天后关闭电炉,让产物随炉冷却至室温,可获得1.4%(质量分数)氧含量的氮化铬粉体。利用类似方法制备CrN粉体的还有Herle[103]等,除采用硫化铬作为原料外,氯化铬也可作为合成氮化铬的铬源。Zhang[104]等将氯化铬在50mL/min的NH3气流中,分别加热到500~800℃,在相应温度下分别保温2~5h,合成出的样品在NH3气氛中冷却至室温,最终,在800℃下可获得单一氮化铬粉末。Jankovský[105]等首先通过干燥的水合CrCl3制备无水CrCl3,然后将获得的CrCl3放入通有流速为100cm3/min的NH3和50cm3/min的N2气氛的反应器中加热到800℃,保温72h,冷却后可获得纯度较高的氮化铬粉体。

金属铬也是一种较为理想的铬源,可直接与氮化气体反应,而不产生有害物质。Li[106]等将金属铬粉在流动NH3中,以10℃/min的加热速率分别加热到预设温度700~1200℃,并在此温度下保温4~20h,之后将样品在NH3中冷却至室温。最终在1000℃保温20h条件下,可获得形态为多边形的氮化铬纳米颗粒。

反应过程中释放的N2或NH3等气体也可成为反应中所需的氮源,并可以代替直接向反应容器中通入的氮化气体。Ma[107]等将重铬酸铵和镁粉混合放入不锈钢高压釜中,在氩气气氛下将其密封,之后加热到550℃保温10h,产物清洗干燥后,获得黑色立方CrN粉末。其反应过程方程式为:

(NH42Cr2O7N2+Cr2O3+4H2O  (1.1)

Cr2O3+3Mg2Cr+3MgO  (1.2)

Cr+N22CrN  (1.3)

利用同样的方法,Yang等[108]在通有N2的干燥手套箱中将金属铬粉(金属钒粉末)和NH4Cl各取0.0mol放入容积为25mL的不锈钢反应釜中进行反应。将反应釜封闭后在600℃下保温12h,待冷却至室温后再打开反应釜。收集到的产物依次用稀盐酸、乙醇和蒸馏水进行清洗,在60℃干燥4h后可获得CrN(VN)粉末。