[发明专利]氮化钒纳米纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体说涉及氮化钒纳米纤维及其制备方法。

背景技术

纳米纤维是指在材料的三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的线状材料，通常径向尺度为纳米量级，而长度则较大。由于纳米纤维的径向尺度小到纳米量级，显示出一系列特性，最突出的是比表面积大，从而其表面能和活性增大，进而产生小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，并因此表现出一系列化学、物理(热、光、声、电、磁等)方面的特异性。在现有技术中，有很多制备纳米纤维的方法，例如抽丝法、模板合成法、分相法、水热法以及自组装法等。此外，还有电弧蒸发法，激光高温烧灼法，化合物热解法，这三种方法实际上都是在高温下使化合物(或单质)蒸发后，经热解(或直接冷凝)制得纳米纤维或纳米管，从本质上来说，都属于化合物蒸汽沉积法。

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纳米纤维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。目前未见采用静电纺丝技术与氮化技术相结合制备VN纳米纤维的相关报道。

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复合纳米纤维，将其在空气中进行热处理，得到V₂O₅纳米纤维，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纳米纤维。

发明内容