本發(fā)明涉及納米材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氮摻雜碳化鈮納米片及其制備方法。

背景技術(shù)：

碳化鈮為灰棕色金屬狀粉末，熔點(diǎn)3490℃，沸點(diǎn)4300℃，是一種高熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)、高硬度材料，同時(shí)其為三元、四元碳化物固溶物組分，與碳化鎢、碳化鉬配合，用于熱鍛模、切削工具、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、閥門(mén)、尾裙及火箭噴嘴涂層等。碳化鈮已經(jīng)在耐磨工具，醫(yī)療器械、半導(dǎo)體、工程陶瓷和化學(xué)材料中得到廣泛應(yīng)用。目前制備碳化鈮的方法主要為：1)以五氧化二鈮為原料制備碳化鈮的還原法；2)以金屬鈮和炭黑為原料來(lái)制備碳化鈮的直接法；3)以五氯化鈮蒸氣、氫氣及甲烷的混合氣為原料，制備碳化鈮的氣相反應(yīng)法；4)以鈷作輔助金屬，選用Nb與Co按比例組成金屬浴的輔助金屬浴法；5)以五氯化鈮蒸氣和氫氣的混合氣體為原料的氣相反應(yīng)法；6)以金屬鈮為原料的碳化制取法。上述方法不僅制備成本較高，而且產(chǎn)物粒徑較大。納米碳化鈮的合成雖有報(bào)道，但都是一維結(jié)構(gòu)的碳化鈮納米線，而具備二維結(jié)構(gòu)并且被氮摻雜的碳化鈮納米片至今少有報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種低成本、適于工業(yè)化生產(chǎn)的氮摻雜碳化鈮納米片及其制備方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的氮摻雜碳化鈮納米片采用如下的技術(shù)方案制備得到：

以Nb₂O₅為鈮源，以三聚氰胺為氮源和碳源，以金屬可溶性氯化物(M_x(Cl)_y)或其水合物(M_x(Cl)_y·nH₂O)為催化劑和助熔劑，控制Nb₂O₅、金屬可溶性氯化物或其水合物、三聚氰胺的投料物質(zhì)的量比為1：2～5：3～6，通過(guò)球磨使得Nb₂O₅、金屬可溶性氯化物或其水合物、三聚氰胺充分混合均勻，取出、干燥后將其放入固定式管式氣氛爐中，在惰性氣氛下以4～10℃/min升溫至900～1200℃，并保溫1～3小時(shí)，隨爐冷卻，即得到所述的氮摻雜的碳化鈮納米片。

優(yōu)選地，本發(fā)明的金屬可溶性氯化物或其水合物為Fe、Co、Ni的可溶性氯化物或其水合物。

優(yōu)選地，本發(fā)明的Nb₂O₅、金屬可溶性氯化物或其水合物、三聚氰胺的物質(zhì)的量比為1：2～4：4～6。

優(yōu)選地，本發(fā)明的球磨使得反應(yīng)物充分混合均勻的步驟為：將稱(chēng)量好的反應(yīng)物直接放于球磨罐后，置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨1～3小時(shí)，即充分混合均勻。更優(yōu)選地，所述球磨機(jī)中進(jìn)行球磨的速度為200r/min～300r/min。

優(yōu)選地，本發(fā)明的惰性氣氛為氬氣氣氛或氮?dú)鈿夥铡?/p>

優(yōu)選地，本發(fā)明在惰性氣氛下加熱升溫速率為5～8℃/min。

優(yōu)選地，本發(fā)明在惰性氣氛下加熱升溫至1000～1200℃進(jìn)行保溫。

優(yōu)選地，本發(fā)明保溫反應(yīng)時(shí)間為1.5～2.5小時(shí)。

本發(fā)明的發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，以低成本的三聚氰胺為氮源和碳源，金屬可溶性氯化物或其水合物為催化劑和助熔劑(金屬M(fèi)起到催化作用，氯元素起到一定的助熔劑作用)，Nb₂O₅為鈮源，通過(guò)程序升溫至特定的溫度進(jìn)行反應(yīng)制備氮摻雜碳化鈮，不僅能夠得到具有二維結(jié)構(gòu)的氮摻雜碳化鈮納米片，而且相對(duì)于以石墨烯為代表的二維結(jié)構(gòu)中摻雜N或者B等元素研究二維結(jié)構(gòu)納米材料的方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1制備的氮摻雜碳化鈮納米片在15000放大倍數(shù)下的SEM圖。

圖2為實(shí)施例1制備的氮摻雜碳化鈮納米片在20000放大倍數(shù)下的SEM圖。

圖3為實(shí)施例2制備的氮摻雜碳化鈮納米片在5000放大倍數(shù)下的SEM圖。

圖4為實(shí)施例1制備的氮摻雜碳化鈮納米片的XRD圖。

具體實(shí)施方式

下面申請(qǐng)人將結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，目的在于使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠清楚地理解本發(fā)明。以下實(shí)施例不應(yīng)在任何程度上被理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員按本發(fā)明的思路修改制備類(lèi)似的復(fù)合材料也在本發(fā)明保護(hù)范圍的限制內(nèi)。

實(shí)施例1

首先將1.3292g的Nb₂O₅，2.4748g的NiCl₂·6H₂O，3.1573g的C₃H₆N₆放于球磨罐中，于球磨機(jī)中球磨1小時(shí)，使其充分混合均勻。取出后，置于研缽中研磨至其成為粉末(研磨是為了更方便地進(jìn)行性能表征，不研磨也不影響本發(fā)明的實(shí)施)，60℃下真空干燥20分鐘。將干燥后的粉末放于石墨盒中，蓋上蓋，放在固定式管式氣氛爐中(CVD管式爐)中，抽真空后通入氮?dú)猓O(shè)置參數(shù)，以5℃/min升溫至1100℃，并保溫2小時(shí)，隨爐冷卻得到最終產(chǎn)物。(見(jiàn)圖1，圖2)

實(shí)施例2

首先將1.3265g的Nb₂O₅，4.7534g的NiCl₂·6H₂O，3.1507g的C₃H₆N₆放于球磨罐中，于球磨機(jī)中球磨1小時(shí)，使其充分混合均勻。取出后，置于研缽中研磨至其成為粉末，60℃真空干燥20分鐘。將干燥后的粉末放于石墨盒中，蓋上蓋，將其放在CVD管式爐中，抽真空后通入氬氣，設(shè)置參數(shù)，以7℃/min升溫至1200℃，并保溫3小時(shí)，隨爐冷卻得到最終產(chǎn)物。(見(jiàn)圖3)

實(shí)施例3

首先將1.3292g的Nb₂O₅，3.6754g的CoCl₂·6H₂O，3.1573g的C₃H₆N₆放于球磨罐中，于球磨機(jī)中球磨1小時(shí)，使其充分混合均勻。取出后，置于研缽中研磨至其成為粉末，60℃下真空干燥20分鐘。將干燥后的粉末放于石墨盒中，蓋上蓋，放在CVD管式爐中，抽真空后通入氮?dú)?，設(shè)置參數(shù)，以5℃/min升溫至1100℃，并保溫2小時(shí)，隨爐冷卻得到最終產(chǎn)物。

實(shí)施例4

首先將1.3292g的Nb₂O₅，4.2054g的FeCl₃·6H₂O，3.1573g的C₃H₆N₆放于球磨罐中，于球磨機(jī)中球磨1小時(shí)，使其充分混合均勻。取出后，置于研缽中研磨至其成為粉末，60℃下真空干燥20分鐘。將干燥后的粉末放于石墨盒中，蓋上蓋，放在CVD管式爐中，抽真空后通入氮?dú)猓O(shè)置參數(shù)，以5℃/min升溫至1100℃，并保溫2小時(shí)，隨爐冷卻得到最終產(chǎn)物。

從圖1、圖2、圖3可以看出本發(fā)明產(chǎn)品具有二維片狀結(jié)構(gòu)。圖3為實(shí)施例2制備的氮摻雜碳化鈮納米片在5000放大倍數(shù)下的SEM圖，由該圖可以發(fā)現(xiàn)制備出的樣品具有類(lèi)似石墨烯的二維片狀結(jié)構(gòu)，部分片狀結(jié)構(gòu)堆積在一起。圖1為實(shí)施例1制備的氮摻雜碳化鈮納米片在15000放大倍數(shù)下的SEM圖，由該圖可以發(fā)現(xiàn)多層片狀二維結(jié)構(gòu)呈無(wú)序堆積狀態(tài)。進(jìn)一步放大20000倍后發(fā)現(xiàn)(圖2)，單一二維納米片長(zhǎng)寬尺寸都達(dá)到微米級(jí)別。

圖4為實(shí)施例1制備的氮摻雜碳化鈮納米片的XRD圖，由圖可以看出，本發(fā)明產(chǎn)品的X射線衍射峰對(duì)應(yīng)的主要成分為Nb₂CN，同時(shí)還含有催化劑Ni峰以及殘留C峰，且結(jié)晶性良好。