碳化物及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种制备碳化物的方法，包括：(1)提供第一前驱体，所述第一前驱体中含有：待碳化元素的氧化物和碳质材料；(2)加热第一前驱体，使待碳化元素的氧化物和碳质材料发生碳热还原反应，生成碳化物；其中，在所述加热的至少部分阶段，将反应的环境的压强降低至P0帕以下，0＜P0＜10000。＜10000。＜10000。

【技术实现步骤摘要】
碳化物及其制备方法


[0001]本专利技术涉及材料领域，具体涉及碳化物及其制备方法。

技术介绍

[0002]相关技术采用碳热还原法制备金属或非金属碳化物。
[0003]以碳热还原法制备碳化硅(SiC)为例。相关技术一般在1400℃以上 的常压高温环境中，在非氧化性气氛下，对二氧化硅和碳单质进行长时 间烧结来制备碳化硅，反应方程式如下：
[0004]SiO2+3C
→
SiC+2CO
↑
[0005]现有技术的制备碳化物的方法具有反应温度高、反应时间长、碳化 硅产物比表面积低等缺点，这些不利因素阻碍了SiC作为催化剂载体的 规模化工业应用。

技术实现思路

[0006]鉴于现有技术存在的问题，本申请提出了一种创新的制备碳化物的 策略：在低压环境下通过碳热还原氧化物制备碳化物，即低压碳热还原 策略。
[0007]以碳热还原法制备SiC为例。本申请通过对碳热还原反应进行热力 学和动力学分析发现：在碳热还原反应过程中，SiO2被还原至SiO气体 中间反应物分子需要克服非常高的热力学能量势垒(室温室压，～593.5 kJ/mol)，这一步是SiC制备的决速步骤。本申请进一步发现：低压环 境对于碳化硅的制备是有利的，原因在于：
[0008]第一、低压环境有利于降低整体反应的吉布斯自由能，从而使得反 应发生的起始温度向低温区移动，降低了反应温度；
[0009]第二、低压环境可以加速SiO气态中间反应物分子向碳基反应物的 扩散，进而提高SiC的生成速率，加快了反应效率；
[0010]第三、鉴于上述第一、二点，低压环境使得碳热还原反应能够在较低 的温度下以较高的速度进行。这有助于避免SiC晶粒因长时间暴露于高 温环境而熟化、团聚、烧结，进而有助于获得高比表面积的SiC。
[0011]本申请实施例的实验结果表明：在低压环境下，利用焦耳加热设备 制备SiC，反应温度可以减少至1200℃，反应时间可以减少至30秒，SiC 产物的BET比表面积可以高达569.9m2/g。
[0012]本申请实施例的实验结果还表明，在低压环境下，利用真空加热炉 制备SiC，在1300℃的反应温度下，在5分钟的反应时间，能够制备12.29 g的SiC。
[0013]本申请实施例的实验结果还表明，低压碳热还原策略还能够制备多 种金属碳化物，例如NbC、Mo2C、TaC、WC等，甚至是高熵金属碳化 物VNbMoTaWC5，TiVNbTaWC5等。
[0014]在一些方面，本申请提供一种制备碳化物的方法，包括：
[0015](1)提供第一前驱体，所述第一前驱体中含有：待碳化元素的氧化 物和碳质材料；
[0016](2)加热第一前驱体，使待碳化元素的氧化物和碳质材料发生碳热 还原反应，生
成碳化物；
[0017]其中，在所述加热的至少部分阶段，将反应的环境的压强降低至P0帕以下，0＜P0＜10000。
[0018]在一些实施方案中，步骤(2)中，加热第一前驱体至1200℃以上。
[0019]在一些实施方案中，步骤(2)中，加热第一前驱体至1200℃
‑
2000℃， 例如1200℃
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1300℃、1300℃
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1400℃、1400℃
‑
1500℃、1500℃
‑
1600℃、 1600℃
‑
1700℃、1700℃
‑
1800℃、1800℃
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1900℃或1900℃
‑
2000℃。
[0020]在一些实施方案中，步骤(2)中，加热的时间为10秒以上，例如 10秒
‑
30秒，例如30秒
‑
60秒，例如1分钟
‑
5分钟，例如5分钟
‑
10分 钟，例如10分钟
‑
15分钟，例如15分钟
‑
20分钟。
[0021]在一些实施方案中，0＜P0＜1000。
[0022]在一些实施方案中，0＜P0＜100。
[0023]在一些实施方案中，P0的取值为0.1以下、0.1
‑
1、1
‑
10、10
‑
100、100
‑ꢀ
200、200
‑
300、300
‑
400、400
‑
500、500
‑
600、600
‑
700、700
‑
800、800
‑
900 或900
‑
1000。
[0024]在一些实施方案中，所述加热的至少部分阶段占整个加热时间的10％ 以上，例如10％
‑
20％、20％
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30％、30％
‑
40％、40％
‑
50％、50％
‑
60％、 60％
‑
70％、70％
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80％、80％
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90％或90％
‑
100％。
[0025]在一些实施方案中，所述第一前驱体为粉末混合物，所述粉末混合 物含有待碳化元素的氧化物颗粒和碳质材料颗粒。
[0026]在一些实施方案中，所述第一前驱体中，所述待碳化元素的氧化物 的部分或全部表面被所述碳质材料覆盖。基于此，碳质材料能够有效低 俘获加热过程中形成的中间产物分子，进而与之反应生成碳化物。
[0027]在一些实施方案中，所述第一前驱体中，所述待碳化元素的氧化物 的50％
‑
100％(例如50％
‑
60％、60％
‑
70％、70％
‑
80％、80％
‑
90％、90％
‑ꢀ
100％)的表面被所述碳质材料覆盖。
[0028]在一些实施方案中，制备碳化物的方法还包括制备第一前驱体的步 骤，具体包括：
[0029](1.1)提供第二前驱体，所述第二前驱体含有待碳化元素的氧化物 和含碳有机物，所述待碳化元素的氧化物的至少部分表面被所述含碳有 机物覆盖；
[0030](1.2)在非氧化条件下烧结第二前驱体，使所述含碳有机物热解为 碳质材料。
[0031]在一些实施方案中，制备碳化物的方法还包括制备第二前驱体的步 骤，具体包括：将含有待碳化元素的氧化物与溶解由含碳有机物的溶液 充分混合，然后将混合物干燥。
[0032]在一些实施方案中，待碳化元素的氧化物为介孔材料。
[0033]在一些实施方案中，在一些实施方案中，待碳化元素的氧化物的BET 比表面积为100m2/g以上，例如100m2/g
‑
200m2/g、200m2/g
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300m2/g、 30本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备碳化物的方法，包括：(1)提供第一前驱体，所述第一前驱体中含有：待碳化元素的氧化物和碳质材料；(2)加热第一前驱体，使待碳化元素的氧化物和碳质材料发生碳热还原反应，生成碳化物；其中，在所述加热的至少部分阶段，将反应的环境的压强降低至P0帕以下，0＜P0＜10000。2.根据权利要求1所述的方法，步骤(2)中，加热第一前驱体至1200℃以上。3.根据权利要求1所述的方法，步骤(2)中，加热第一前驱体至1200℃
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2000℃。4.根据权利要求2或3所述的方法，步骤(2)中，加热的时间为10秒以上。5.根据权利要求1所述的方法，0＜P0＜1000。6.根据权利要求1所述的方法，0＜P0＜100。7.根据权利要求5或6所述的方法，所述加热的至少部分阶段占整个加热时间的10％以上。8.根据权利要求1所述的方法，所述第一前驱体为粉末混合物，所述粉末混合物含有待碳化元素的氧化物颗粒和碳质材料颗粒。9.根据权利要求1所述的方法，所述第一前驱体中，所述待碳化元素的氧化物的部分或全部表面被所述碳质材料覆盖。10.根据权利要求9所述的方法，所述第一前驱体中，所述待碳化元素的氧化物的50％
‑
100％的表面被所述碳质材料覆盖。11.根据权利要求9所述的方法，还包括制备第一前驱体的步骤，具体包括：(1.1)提供第二前驱体，所述第二前驱体含有待碳化元素的氧化物和含碳有机物，所述待碳化元素的氧化物的至少部分表面被所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩业创，范凤茹，田中群，
申请(专利权)人：嘉庚创新实验室，
类型：发明
国别省市：