[发明专利]一种碳化钛纳米线的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化钛纳米线的制备方法，属于纳米材料的制备方法技术领域。

背景技术

碳化钛(TiC)结构中既有共价键又有离子键，因此其结合了金属和共价化合物的性质，碳化钛具有相当高的熔点(3065℃)，低密度，极高的硬度(20-32GPa)，良好的导电性(电阻率约6.0×10^-7Ω·m)和导热性(导热率约33W/m·K)，并具有非常好的抗氧化和抗腐蚀能力，可用于制造金属陶瓷、耐热合金、硬质合金、涂层材料及坩埚材料等，在机械、化学、微电子等行业得到广泛应用。纳米结构的碳化钛，如纳米线、纳米管、纳米颗粒等，对于许多反应如加氢、氢转移等表现出良好的催化活性。由于具有较低的功函数，碳化钛纳米线或纳米管可用于场发射器等微电子装置。

传统的制备TiC的方法是，在1900-2700℃的高温下，通过碳热还原TiO₂而制得。Dai等人(H.J.Dai，E.W.Wong，Y.Z.Lu，S.S.Fan，C.M.Lieber，Nature，1995，375，769-772)利用碳纳米管作为模板，氧化物或卤化物气体作为反应剂，在1150-1750℃温度下，制备了系列金属碳化物纳米杆，其中，在1300-1400℃利用TiO气体作为钛源，制备了直径为30纳米的单晶TiC纳米杆。Qi等人(S.R.Qi et al.Journal of Crystal Growth 219(2000)485-488)利用TiO气体和甲烷气体在1400℃反应制备了一维TiC纳米线。Xinjun Wang等人(Xinjun Wang et al.，Chemistry Letters，2002，31，820-821)采用一种‘化学-剪切-组装’的新方法，利用钛粉、四氯化碳和含N的亲核溶剂(如乙二胺、嘧啶等)作为原材料，在500℃的较低温度下，制备出直径为30-35纳米，长度为150-200纳米的TiC纳米杆。Kaifu Huo等人(Kaifu Huo et al.Nanotechnology 18(2007)145615)利用Co@C或Ni@C作为催化剂，NaCl作为辅助溶剂，以活性碳和TiO₂作为原料，在1300℃利用碳热还原的方法制备了直径为20-50纳米，长度达几微米的TiC纳米线。最近，David W.Flaherty等人(David W.Flaherty et al.J.Phys.Chem.C 2009，113，12742-12752)利用物理气相沉积(PVD)的方法制备了高比表面积的孔状TiC膜。Xuanke Li等人(Xuanke Li et al.Carbon，2009，47，201-208)以LiCl-KCl-KF为介质，以纯钛粉和碳纳米管为原料，在950-960℃温度下，制备了纳米多晶的TiC纳米线。

在上述制备方法中，都采用TiO₂或TiO为钛源，以活性碳、碳纳米管或含碳有机物为碳源，利用催化剂通过化学反应法来制备TiC纳米线或纳米杆。反应所需温度高，制备过程复杂，成本高，不容易控制TiC纳米线的尺寸(包括直径和长度)和结晶取向，而且所制备TiC纳米线一般在几微米以下。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术工艺的不足，提供一种成本低、工艺简单、纳米线的直径、长度和结晶取向可调可控的TiC纳米线的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种碳化钛纳米线的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属镍、钛放在石墨坩埚中，在惰性气体保护的真空感应炉中熔化为合金液；金属镍的原子百分比为49-51at％，其余为钛；

(2)在惰性气体保护下，合金液凝固成Ni-Ti-C合金，该合金由NiTi和TiC两相组成；

(3)将上述制备的Ni-Ti-C合金进行电化学萃取处理，去除合金中的NiTi相；

(4)将上述电化学萃取处理后的电解质过滤，滤饼依次用蒸馏水、酒精清洗，即制得碳化钛纳米线。

金属镍、钛纯度大于99.0％，在熔化时要有惰性气体保护，否则钛很难熔炼，易氧化。惰性气体优选氩气或氮气，熔化温度为1400-1550℃。

步骤(2)中合金液在坩埚中凝固成Ni-Ti-C合金或在1350-1450℃下将合金液浇入铸型中，然后凝固成Ni-Ti-C合金，凝固速度为1-50K/s。