[发明专利]一种高比表面碳包裹的过渡金属碳化物材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种碳包裹的过渡金属碳化物的制备方法：以糖或醛与酚为碳源，水溶性金属盐为金属前驱体，水热晶化后在惰性气氛下进行碳热还原。此方法制得的过渡金属碳化物比表面积高，制备过程能耗低，环境友好，适于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种高比表面碳包裹的过渡金属碳化物M(Nb、Mo、W)@C的制备方法，涉及新型材料的合成。

背景技术

过渡金属碳化物（TMC）是由金属元素以及碳元素形成的一系列具有类金属性质的间隙化合物，由于其结构中通常存在共价键网络，材料的共价键作用很强，因此TMC具有很高的硬度、机械强度以及良好的催化活性（氢解反应、逆水煤气反应、电催化反应等）。

通常，金属碳化物是将金属氧化物与碳在1800-2000 ^oC的惰性气体中进行高温渗碳制得。但该制备过程能耗高，而且高的合成温度容易导致所得金属碳化物颗粒团聚，比表面积低。CN111203249A专利公开了“一种石墨烯包覆过渡金属碳化物纳米胶囊的制备方法及其在微波催化领域的应用”，将过渡金属块放在直流电弧氢等离子体设备上，通入氢气、惰性气体和含碳元素气体使腔体总气压达0.005-9.5*10⁴ Pa，接通电源形成稳定电弧，蒸发过渡金属块，得到石墨烯包覆过渡金属碳化物纳米胶囊，该方法虽然可以得到过渡金属碳化物，但制备过程中使用甲烷，乙烷等易燃气体，其次使用直流电弧氢等离子体设备等，生产成本较高。CN101371988A专利公开了“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、氧化物或分子筛等为载体，以过渡金属化合物为前驱体，通过浸渍或机械混合载体和过渡金属前躯体，采用微波辅助的化学沉积方法制备负载型过渡金属碳化物催化剂，材料比表面积为69 m²/g。CN 109201002 A专利公开了“一种炭包裹的过渡金属碳化物复合材料、制备方法及其吸附用途”，该复合材料是以TiAlC₂、葡萄糖、纤维素或木屑为原料，碱性溶液为溶剂，在120-220 ^oC, 24-96小时条件下水热/溶剂热法一步制备获得。此体系中，碱性溶液NaOH作为刻蚀剂将TiAlC₂中的Al 溶解，最终形成棒状和纤维状的炭包裹复合材料（记为：C@NaOTiC_x）。

由此可见，目前过渡金属碳化物材料的合成存在能耗高，过程复杂（需要碱液刻蚀），比表面积小等问题。针对这些现有技术的不足，我们通过采用合适的有机物作为碳源，水溶性金属盐作为前驱体，将两者混合水热，并对水热产物进行碳热还原反应得到碳包裹的过渡金属碳化物。与已报道的金属碳化物合成方法相比，该方法操作简单，能耗较低，可制备具有高比表面积的过渡金属碳化物材料。

发明内容

基于上述目的，本发明提供了一种能耗较低的高比表面碳包裹的过渡金属碳化物M(Nb,Mo,W)@C材料的制备方法。采用水溶性金属盐作为前驱体，糖或醛与酚作为碳源，水热晶化后在惰性气氛下碳热还原反应制得该材料。其中本过渡金属碳化物材料合成过程具有操作简单，能耗较低，金属碳化物材料比表面积高的优点。

本发明包括过渡金属碳化物催化剂的合成方法，其核心是在相对温和的条件下，以糖或醛与酚有机聚合物作为碳源，碳源与金属前驱相互作用，在碳热过程中，金属前驱形成的金属氧化物还原并与碳源中的炭发生反应，最终合成一种具有高比表面积的、碳包裹的过渡金属碳化物M(Nb, Mo, W)@C材料，合成该金属碳化物材料的方法未见报道。

本发明的优势在于：

（1）原料易得。采用糖类和酚类等由可再生木质生物质制得的有机物作为碳源，绿色、廉价可再生;

（2）采用水热法，制备工艺简单，过程中不使用强酸强碱试剂，环境友好;

（3）能耗较低。大多数过渡金属碳化物的合成要经过1500-2000℃的高温焙烧，本发明焙烧温度范围在800-1200 ℃，能耗降低。

附图说明