氮化钒多孔纳米带及其制备方法.pdf

本发明涉及氮化钒多孔纳米带及其制备方法，属于纳米材料制备技术领域。本发明包括四个步骤：(1)配制纺丝液；(2)采用静电纺丝技术制备PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带；(3)制备V2O5多孔纳米带，将所制备的PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带进行热处理得到；(4)制备VN多孔纳米带，将所制备的V2O5多孔纳米带置于高纯石墨坩埚中，用流动的NH3气进行氮化，得到VN多孔纳米带，具有良好的结晶性，属于立方晶系，厚度为341nm，宽度为2.30±0.27μm，长度大于20μm。本发明的制备方法简单易行，可以批量生产，具有广阔的应用前景。

权利要求书
1.  氮化钒VN多孔纳米带，其特征在于，氮化钒呈多孔纳米带形貌，具有良好的结晶性， 属于立方晶系，厚度为341nm，宽度为2.30±0.27μm，长度大于20μm。

2.  一种如权利要求1所述的氮化钒多孔纳米带的制备方法，其特征在于，采用静电纺丝 技术，以N,N-二甲基甲酰胺DMF为溶剂，制备产物为VN多孔纳米带，其步骤为：
(1)配制纺丝液
钒源使用偏钒酸铵NH4VO3，高分子模板剂采用聚乙烯吡咯烷酮PVP，分子量为90000， 采用N,N-二甲基甲酰胺DMF为溶剂，将2.3979g偏钒酸铵NH4VO3与7.2064g柠檬酸 C6H8O7·H2O溶于适量去离子水中，加热搅拌至固体粉末全部溶解后蒸发形成凝胶，冷却至室温 后，加入15.1027g N,N-二甲基甲酰胺DMF和3.5062g聚乙烯吡咯烷酮PVP，搅拌48h后得 到分散均匀的纺丝液；
(2)制备PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带
将纺丝液注入一支带有1mL塑料喷枪头的10mL注射器中，用石墨棒作为阳极插入纺丝液 中，采用竖喷方式，喷丝头与接收屏铁丝网的间距为12cm，纺丝电压为7.6kV，室内温度为 24℃，相对湿度为40％-50％，随着溶剂的挥发，在接收屏铁丝网上即可得到 PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带；
(3)制备V2O5多孔纳米带
将所述的PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带放入刚玉坩埚中，将坩埚放到程序控温炉中进 行热处理，以1℃/min升温至180℃保温4h，然后以1℃/min继续升温至210℃，保温2h， 再以1℃/min继续升温至430℃，保温2h,最后以1℃/min升温至450℃保温4h，然后 以1℃/min降温至200℃，之后自然冷却至室温，得到V2O5多孔纳米带；
(4)制备VN多孔纳米带
将所述的V2O5多孔纳米带置于高纯石墨坩埚中，在真空管式炉中用流动的NH3气进行氮 化，以1℃/min升温至600℃，保温6h后，再以1℃/min升温到900℃，保温4h，之后以1℃/min 降温至100℃，然后自然冷却至室温，得到VN多孔纳米带，具有良好的结晶性，属于立方晶 系，厚度为341nm，宽度为2.30±0.27μm，长度大于20μm。

说明书氮化钒多孔纳米带及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体说涉及氮化钒多孔纳米带及其制备方法。
背景技术
无机物纳米带的制备与性质研究目前是材料科学、凝聚态物理、化学等学科研究的前沿 热点之一。纳米带是一种用人工方法合成的呈带状结构的纳米材料，它的横截面是一个矩形 结构，其厚度在纳米量级，宽度可达到微米级，而长度可达几百微米，甚至几毫米。纳米带 由于其不同于管、线材料的新颖结构以及独特的光、电、磁等性能而引起人们的高度重视。
氮化钒VN，也称为钒氮合金，属于新型合金，添加于钢中能够最大程度地提高钢的强度， 韧性，延展性及抗疲劳性，耐高温性，焊接性等综合机械性能。VN还可以用于锂离子电池和 超级电容器中。纳米VN的研究已成为材料科学领域研究的热点之一。目前已有VN纳米粉体 的报道，通常采用金属钒纳米粉体与氮气反应，或者采用V2O5纳米粉体与氨气反应来制备 VN纳米粉体，但尚未见VN多孔纳米带一维纳米结构的报道。
专利号为1975504的美国专利公开了一项有关静电纺丝方法(electrospinning)的技术方案， 该方法是制备连续的、具有宏观长度的微纳米纤维的一种有效方法，由Formhals于1934年 首先提出。这一方法主要用来制备高分子纳米纤维，其特征是使带电的高分子溶液或熔体在 静电场中受静电力的牵引而由喷嘴喷出，投向对面的接收屏，从而实现拉丝，然后，在常温 下溶剂蒸发，或者熔体冷却到常温而固化，得到微纳米纤维。近10年来，在无机纤维制备技 术领域出现了采用静电纺丝方法制备无机化合物如氧化物纳米纤维的技术方案，所述的氧化 物包括TiO2、ZrO2、Y2O3、Y2O3:RE3+(RE3+＝Eu3+、Tb3+、Er3+、Yb3+/Er3+)、NiO、Co3O4、 Mn2O3、Mn3O4、CuO、SiO2、Al2O3、ZnO、Nb2O5、MoO3、CeO2、LaMO3(M＝Fe、Cr、Mn、 Co、Ni、Al)、Y3Al5O12、La2Zr2O7等金属氧化物和金属复合氧化物。已有人利用静电纺丝技 术成功制备了高分子纳米带(Materials Letters,2007,61:2325–2328；Journal of Polymer Science: Part B:Polymer Physics,2001,39:2598–2606)。有人利用锡的有机化合物，使用静电纺丝技术 与金属有机化合物分解技术相结合制备了多孔SnO2纳米带(Nanotechnology，2007,18: 435704)；有人利用静电纺丝技术首先制备了PEO/氢氧化锡复合纳米带，将其焙烧得到了多 孔SnO2纳米带(J.Am.Ceram.Soc.,2008,91(1):257-262)。董相廷等采用静电纺丝技术制备了 稀土氟化物纳米带(中国发明专利，申请号:201010108039.7)、二氧化钛纳米带(中国发明专利， ZL200810050948.2)和Gd3Ga5O12:Eu3+多孔纳米带(高等学校化学学报,2010,31(7),1291-1296)。 目前未见采用静电纺丝技术与氮化技术相结合制备VN多孔纳米带的报道。
利用静电纺丝技术制备纳米材料时，原料的种类、高分子模板剂的分子量、纺丝液的组 成、纺丝过程参数和热处理工艺对最终产品的形貌和尺寸都有重要影响。本发明先将偏钒酸 铵NH4VO3与柠檬酸C6H8O7·H2O溶于适量去离子水中，加热溶解后蒸发形成凝胶，加入溶剂 N,N-二甲基甲酰胺DMF和高分子模板剂聚乙烯吡咯烷酮PVP，得到纺丝液，控制纺丝液的粘 度至关重要，采用静电纺丝技术在最佳的实验条件下进行静电纺丝，制备出 PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带，将其在空气中进行热处理，得到V2O5多孔纳米带，采用石 墨坩埚、以氨气NH3进行氮化，制备出了结构新颖纯相的VN多孔纳米带。
发明内容
背景技术中的使用静电纺丝技术制备了金属氧化物、金属复合氧化物纳米纤维、高分子 纳米带、SnO2纳米带、TiO2纳米带、Gd3Ga5O12:Eu3+多孔纳米带和稀土氟化物纳米带。背景 技术中现有技术是利用气-固相反应制备了VN纳米粉体。为了在VN材料领域提供一种新形 貌的纳米材料，我们发明了VN多孔纳米带的制备方法。
本发明是这样实现的，首先制备出用于静电纺丝的具有一定粘度的纺丝液，应用静电纺 丝技术进行静电纺丝，在最佳的实验条件下，制备出PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带，将其 在空气中进行热处理，得到V2O5多孔纳米带，采用石墨坩埚、以氨气NH3进行氮化，制备出了 结构新颖纯相的VN多孔纳米带。其步骤为：
(1)配制纺丝液
钒源使用偏钒酸铵NH4VO3，高分子模板剂采用聚乙烯吡咯烷酮PVP，分子量为90000， 采用N,N-二甲基甲酰胺DMF为溶剂，将2.3979g偏钒酸铵NH4VO3与7.2064g柠檬酸 C6H8O7·H2O溶于适量去离子水中，加热搅拌至固体粉末全部溶解后蒸发形成凝胶，冷却至室 温后，加入15.1027gN,N-二甲基甲酰胺DMF和3.5062g聚乙烯吡咯烷酮PVP，搅拌48h后 得到分散均匀的纺丝液；
(2)制备PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带
将纺丝液注入一支带有1mL塑料喷枪头的10mL注射器中，用石墨棒作为阳极插入纺丝 液中，采用竖喷方式，喷丝头与接收屏铁丝网的间距为12cm，纺丝电压为7.6kV，室内温度 为24℃，相对湿度为40％-50％，随着溶剂的挥发，在接收屏铁丝网上即可得到 PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带；
(3)制备V2O5多孔纳米带
将所述的PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带放入刚玉坩埚中，将坩埚放到程序控温炉中进 行热处理，以1℃/min升温至180℃保温4h，然后以1℃/min继续升温至210℃，保温 2h，再以1℃/min继续升温至430℃，保温2h,最后以1℃/min升温至450℃保温4h， 然后以1℃/min降温至200℃，之后自然冷却至室温，得到V2O5多孔纳米带；
(4)制备VN多孔纳米带
将所述的V2O5多孔纳米带置于高纯石墨坩埚中，在真空管式炉中用流动的NH3气进行氮 化，以1℃/min升温至600℃，保温6h后，再以1℃/min升温到900℃，保温4h，之后以 1℃/min降温至100℃，然后自然冷却至室温，得到VN多孔纳米带，厚度为341nm，宽度 为2.30±0.27μm，长度大于20μm。
在上述过程中所述的VN多孔纳米带具有良好的结晶性，属于立方晶系，厚度为341nm， 宽度为2.30±0.27μm，长度大于20μm，实现了发明目的。
附图说明
图1是PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带的SEM照片；
图2是V2O5多孔纳米带的XRD谱图；
图3是V2O5多孔纳米带的SEM照片；
图4是V2O5多孔纳米带的TEM照片；
图5是VN多孔纳米带的XRD谱图；
图6是VN多孔纳米带的SEM照片，该图兼作摘要附图；
图7是VN多孔纳米带的TEM照片；
图8是VN多孔纳米带的EDS谱图。
具体实施方式
本发明所选用的偏钒酸铵，柠檬酸，分子量为90000的聚乙烯吡咯烷酮，N,N-二甲基甲 酰胺，碳棒，氨气均为市售分析纯产品；去离子水实验室自制；所用的玻璃仪器、坩埚和设 备是实验室中常用的仪器和设备。
实施例：将2.3979g偏钒酸铵NH4VO3与7.2064g柠檬酸C6H8O7·H2O溶于适量去离子水中， 加热搅拌至固体粉末全部溶解后蒸发形成凝胶，冷却至室温后，加入15.1027gN,N-二甲基甲 酰胺DMF和3.5062g聚乙烯吡咯烷酮PVP，搅拌48h后得到分散均匀的纺丝液；将纺丝液 注入一支带有1mL塑料喷枪头的10mL注射器中，用石墨棒作为阳极插入纺丝液中，采用 竖喷方式，喷丝头与接收屏铁丝网的间距为12cm，纺丝电压为7.6kV，室内温度为24℃， 相对湿度为40％-50％，随着溶剂的挥发，在接收屏铁丝网上即可得到PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带；将所述的PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带放入刚玉坩埚中，将坩埚放到程序 控温炉中进行热处理，以1℃/min升温至180℃保温4h，然后以1℃/min继续升温至 210℃，保温2h，再以1℃/min继续升温至430℃，保温2h,最后以1℃/min升温至450℃ 保温4h，然后以1℃/min降温至200℃，之后自然冷却至室温，得到V2O5多孔纳米带； 将所述的V2O5多孔纳米带置于高纯石墨坩埚中，在真空管式炉中用流动的NH3气进行氮化， 以1℃/min升温至600℃，保温6h后，再以1℃/min升温到900℃，保温4h，之后以1℃/min 降温至100℃，然后自然冷却至室温，得到VN多孔纳米带。所述的PVP/C6H8O7/NH4VO3复合纳米带具有良好的纳米带形貌，见图1所示；所述的V2O5多孔纳米带具有良好的结晶 性，其衍射峰的d值和相对强度与V2O5的PDF标准卡片(41-1426)所列的d值和相对强度一 致，属于正交晶系，见图2所示；所述的V2O5多孔纳米带分布均匀，呈多孔纳米带形貌， 见图3所示；所述的V2O5多孔纳米带由纳米粒子组成，呈现多孔结构，见图4所示；所述 的VN多孔纳米带具有良好的结晶性，其衍射峰的d值和相对强度与VN的PDF标准卡片 (73-2038)所列的d值和相对强度一致，属于立方晶系，见图5所示；所述的VN多孔纳米带 分布均匀，呈多孔纳米带形貌，厚度为341nm，宽度为2.30±0.27μm，长度大于20μm，见 图6所示；所述的VN多孔纳米带由纳米颗粒组成，呈现多孔结构，见图7所示；所述的VN 多孔纳米带由V和N元素组成，Pt来源于SEM制样时表面镀的Pt导电层，C来源于石墨坩 埚，见图8所示。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本 领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应 属于本发明所附的权利要求的保护范围。