利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法及其应用。该方法通过将碳基材料和过渡金属前驱体溶液混合，并冷冻干燥除去水分，得到反应物前驱体；然后将其放入微波承载容器中，并在容器中放入导热金属丝，在空气氛围中对其进行微波处理，清洗烘干后即得到负载超微过渡金属碳化物纳米点的碳基材料。本发明专利技术制备的反应物前驱体对微波有较强的吸波能力，在空气氛围中吸收微波后，碳基材料发生微波热解燃烧，与过渡金属发生键合生成过渡金属碳化物；并通过导热金属丝将部分吸波产生的热量转移，防止碳基材料燃烧过度。本发明专利技术制备方法简单快速，成本低廉，且不易团聚，具有优异的电催化性能。

【技术实现步骤摘要】
利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法及其应用
本专利技术属于功能纳米材料制备
，尤其涉及一种利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法及其应用。
技术介绍
过渡金属碳化物，由于其结构稳定性、耐腐蚀性、高硬度、高导电及导热性等特质，在能源转换及存储、催化转化、保护涂层、先进陶瓷等领域极具研究价值和应用前景。尤其在电催化领域，过渡金属碳化物表现出了类贵金属的性质，如涉氢反应，肼分解反应和异构化反应等。其类铂结构带来的高催化活性与低成本特点使其较传统电催化材料具有更大的应用潜能，引起了广泛的关注和研究。然而，传统的过渡金属碳化物的制备方法主要有高温合成方法、程序升温反应法、碳热氢还原法、化学气相沉积法、热分解法、超声波合成方法和固态交换反应法等。一般均需在高温下进行，反应条件极其苛刻，制备过程繁琐。存在制备得到的碳化物比表面积低、颗粒尺寸大且易团聚、暴露空气前需要通惰性气体钝化等问题，很难得到高分散、粒径小于5nm的负载金属碳化物的催化剂，导致活性位点密度较低，严重影响其电催化性能。通过制备热稳定性良好的超微尺寸纳米颗粒或纳米点能有效的解决这一问题。例如中国专利技术专利CN110102236公开了一种微波技术在柔性碳基底上快速负载生长单分散金属复合物的制备方法及其应用。该方法将碳前驱物和金属盐混合溶解，滴涂到微波活化的柔性碳基底上，在惰性气氛或还原气氛中进行微波处理，得到在柔性碳基底上负载生长的单分散金属复合物。中国专利技术专利CN101371988公开了一种过渡金属碳化物催化材料的制备方法及应用。该方法以炭材料、氧化物或分子筛为载体，以过渡金属化合物为前驱体，混合后，在惰性气氛或还原气氛中采用微波热解，得到负载过渡金属碳化物的催化剂。但上述方法由于其产物的纳米尺度无法调控、需特殊气氛中反应、程序繁多、耗时较长(5-30min)等，不利于其在纳米尺度下的改性研究和大规模生产应用。因此，急需提供一种高效制备高比表面积超微金属碳化物的方法。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法及其应用。利用具有高吸波和高导热性能的反应物前驱体在空气氛围中吸收微波，使得碳基材料发生微波热解燃烧与过渡金属发生键合生成过渡金属碳化物；并通过导热金属丝将部分吸波产生的热量转移，防止碳基材料燃烧过度，从而制得高性能、高分散的负载超微过渡金属碳化物纳米点的碳基材料。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：一种利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法，包括以下步骤：S1.将碳基材料和过渡金属前驱体加入到乙醇与水混合溶剂中，混合均匀后，进行冷冻干燥处理，得到反应物前驱体；S2.将步骤S1得到的所述反应物前驱体转移至微波承载容器中，并在所述微波承载容器中放入导热金属丝；S3.将步骤S2得到的所述微波承载容器置于微波发生器中，在空气氛围中对所述放电承载容器进行微波处理，然后取出清洗、烘干，得到负载超微过渡金属碳化物纳米点的碳基材料。通过采用上述技术方案，首先将碳基材料与过渡金属前驱体溶液混合，再冷冻干燥除去溶剂尤其是除去溶剂中水分，得到具有高吸波和高导热性能的反应物前驱体。该高吸波和高导热性能的反应物前驱体在空气氛围中，吸收微波后，由于导电损耗或磁损耗原理温度将急剧升高。与此同时，金属丝由于反射微波行为在其尖端会存在大量堆积的自由电子，当程度较大时即可产生电弧现象，引燃反应物前驱体。该过程使得反应物前驱体中的碳基材料发生微波热解燃烧，形成碳缺陷位；对过渡金属前驱体中金属原子进行锚定，高温碳化最终形成超微过渡金属碳化物纳米点。而生成的超微过渡金属碳化物纳米点能够进一步提高材料的吸波能力，进而促使超微过渡金属碳化物纳米点的生长速率，从而高效制备得到负载超微过渡金属碳化物纳米点的碳基材料。本专利技术巧妙的在微波承载容器中放入导热金属丝，除了起到引燃作用，还能够将部分反应物前驱体吸波产生的热量转移，防止整个制备过程中碳基材料燃烧过度，从而对制备过程进行调控。进一步的，在步骤S1中，所述冷冻干燥处理的方法包括：先采用液氮进行5～10min的快速冷冻干燥处理，然后在冷冻干燥机内冷冻干燥6～12h。通过冷冻干燥除去溶液中的溶剂，尤其是溶液中的水分，防止水分吸收微波后产生极性损耗对超微过渡金属碳化物纳米点的生长速率造成影响。而且采用冷冻干燥能够保持反应物前驱体的原有分散状态，提高后续超微过渡金属碳化物纳米点的负载均匀性。进一步的，在步骤S1中，所述过渡金属前驱体的浓度为0.5～10mg/mL；所述碳基材料与所述过渡金属前驱体的质量比为5：1～20：1。通过调控过渡金属前驱体溶液的浓度以及碳基材料与过渡金属前驱体的质量比，能够调控反应物前驱体的吸波能力以及超微过渡金属碳化物纳米点的生长速率、均匀性和负载量。进一步的，所述碳基材料包含但不限于为导电碳纤维、导电炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；所述过渡金属前驱体为过渡金属盐类、过渡金属过氧酸类、过渡金属络合物或过渡金属羰基化合物中的一种或多种。选用此类导电碳基材料作为载体，具有比表面积大、导电性能良好、易形成缺陷位而与过渡金属形成碳化物。因此制得的负载超微过渡金属碳化物纳米点的碳基材料，具有高活性、高电导性、优异的体积利用率，在电催化析氢中可显示出优异的性能。进一步的，在步骤S2中，所述导热金属丝为银金属丝、铜金属丝、金金属丝、铝金属丝中的任一种。优选地，所述导热金属丝为铜金属丝。进一步的，所述金属丝的长度为5～10cm、直径为0.1～0.3cm。通过在微波承载容器中放入导热金属丝，能够将部分反应物前驱体吸波产生的热量转移，防止整个制备过程中碳基材料燃烧过度，从而对制备过程进行调控。进一步的，在步骤S2中，所述微波承载容器为石英烧杯；所述微波发生器为微波炉。本专利技术提供的方法对设备要求不高，仅简单的使用家用微波炉，在空气氛围中就能实现超微过渡金属碳化物纳米点在碳基材料上的快速生长。进一步的，在步骤S3中，所述微波处理的功率为400～900W，时间为10～140s。通过调控微波功率和微波处理时间，能够调控超微过渡金属碳化物纳米点的生长速率及负载量。进一步的，在步骤S3中，所述清洗是采用稀盐酸或碱与去离子水依次进行清洗。一种以上所述的方法制备的负载超微过渡金属碳化物纳米点的碳基材料的应用，所述负载过渡金属碳化物纳米点的碳基载体在能量存储、电催化析氢、燃料电池电极反应领域中的应用。本专利技术制备的负载超微过渡金属碳化物纳米点的碳基材料具有高负载量、高活性和高稳定性，用于能量存储、电催化析氢、燃料电池电极反应等领域，均表现出良好的性能。有益效果与现有技术相比，本专利技术提供的利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法及其应用具有如下有益效果：(1)本专利技术提供的利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法，利用具有高吸波和高导热性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1.将碳基材料和过渡金属前驱体加入到乙醇与水混合溶剂中，混合均匀后，进行冷冻干燥处理，得到反应物前驱体；/nS2.将步骤S1得到的所述反应物前驱体转移至微波承载容器中，并在所述微波承载容器中放入导热金属丝；/nS3.将步骤S2得到的所述微波承载容器置于微波发生器中，在空气氛围中对所述放电承载容器进行微波处理，然后取出清洗、烘干，得到负载超微过渡金属碳化物纳米点的碳基材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将碳基材料和过渡金属前驱体加入到乙醇与水混合溶剂中，混合均匀后，进行冷冻干燥处理，得到反应物前驱体；
S2.将步骤S1得到的所述反应物前驱体转移至微波承载容器中，并在所述微波承载容器中放入导热金属丝；
S3.将步骤S2得到的所述微波承载容器置于微波发生器中，在空气氛围中对所述放电承载容器进行微波处理，然后取出清洗、烘干，得到负载超微过渡金属碳化物纳米点的碳基材料。


2.根据权利要求1所述的利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述冷冻干燥处理的方法包括：先采用液氮进行5～10min的快速冷冻干燥处理，然后在冷冻干燥机内冷冻干燥6～12h。


3.根据权利要求1所述的利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述过渡金属前驱体的浓度为0.5～10mg/mL；所述碳基材料与所述过渡金属前驱体的质量比为5：1～20：1。


4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的利用微波燃烧在碳基载体上快速生长过渡金属碳化物纳米点的方法，其特征在于，所述碳基材料包含但不限于为导电碳纤维、导电炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种；所述过渡金属前驱体为过渡金属盐类、过渡...

【专利技术属性】
技术研发人员：万骏，肖志恒，李俊锋，
申请(专利权)人：武汉纺织大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42