基于钨酸基无机—有机层状混杂结构的钨系微纳米晶材料的制备与表征

论文摘要

钨系材料具有优异的物理化学性质,钨及钨系纳米材料除了用作结构材料外,在光学、催化、气敏等功能领域也有广泛的应用。本文针对已有的钨系纳米材料制备工艺复杂,产物形貌不易控制等缺点,发展了在相对温和、简单的条件下制备出钨系纳米材料的新方法,并对所得微纳米晶进行了系统表征,对相关机理进行了讨论。本论文的主要结果如下：（1）以市售的钨酸（H2WO4）和正辛胺为原料,以正庚烷为溶剂,钨酸与正辛胺在类反胶束介质中进行“溶解-重构”反应,形成了高度有序的由无机[WO6]层与有机烷基胺离子层交替堆垛的一维无机-有机层状混杂纳米带结构。正辛胺与H2WO4的摩尔比在2-5之间。结果表明,所得纳米带长约5-10μm,宽约1μm；少量水的加入有利于钨酸与正辛胺反应的快速进行,但同时降低了混杂纳米带的长径比；当水与钨酸的质量比达到1：2时,得到大小约1μm的片状钨酸基无机-有机混杂结构。（2）以所得钨酸基无机-有机层状混杂结构为前驱体,采用硝酸氧化选择性除去有机组分,制得了H2WO4·xH2O纳米片；H2WO4·zH2O纳米片经煅烧脱水后制得长200-300 nm、宽100-200 nm、厚10-30 nm的W03纳米片。将所得钨酸基无机-有机层状混杂结构在空气中于500-600℃煅烧,可得到由许多W03纳米颗粒堆积在一起形成的多孔疏松聚集体。（3）将所得钨酸基无机-有机层状混杂结构封装入密闭石英管反应容器热解,在850℃得到的产物是W2C和WC的混合物,在1050℃则是纯的六方相WC;SEM结果表明,所得产物为100 nm左右的碳化钨纳米晶堆积而成的粒径分布范围较窄的微米球,其表观粒径在8μm左右。研究发现,密封的条件对碳化钨纳米晶的形成具有决定性的作用,在氩气中热解钨酸基无机-有机混杂结构即使温度高达1300℃,只能得到单质钨而不是碳化钨,同时前驱体对产物的形貌也有影响,以WO3纳米片和活性炭为原料在同样的条件下得到的碳化钨晶粒尺寸为1-2μm。同时研究发现钨酸基无机-有机层状混杂结构中钨和碳原子直接接触,可以降低碳化钨的生成温度。（4）以钨酸基无机-有机层状混杂纳米带为前驱体,在石英管式炉、氨气气氛中650-800℃下处理2 h,制备了宽约100 nm,长约200 nm的氮化钨纳米片,保留了前驱物的一维形貌。（5）以钨酸基无机-有机层状混杂纳米带为前驱体,在石英管式炉、氩气气氛中于975-1300℃下处理2-5 h,制备了立方相的单质钨微纳米晶,粒度分布范围较宽,从100 nm到2μm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图和附表清单
• 1 文献综述
• 1.1 主要钨系材料的结构与性质
• 1.1.1 单质钨的结构与基本性质
• 1.1.2 氧化钨的结构与基本性质
• 1.1.3 碳化钨的结构与基本性质
• 1.1.4 氮化钨的结构与基本性质
• 1.2 主要钨系纳米材料制备的研究进展
• 1.2.1 单质钨纳米晶的制备
• 1.2.2 氧化钨纳米晶的制备
• 1.2.3 碳化钨微纳米晶的制备
• 1.2.4 氮化钨纳米晶的制备
• 1.3 层状钨酸盐插层化学的研究进展
• 1.3.1 层状钨酸盐
• 1.3.2 层状钨酸盐的插层反应与产物
• 1.4 本课题的思路、研究内容与创新点
• 1.4.1 研究思路
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 创新点
• 2 钨酸基无机-有机层状混杂结构的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料与试剂
• 2.2.2 实验过程
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 钨酸原料的物相和形貌
• 2.3.2 正辛胺和钨酸的摩尔比对产物的影响
• 2.3.3 水和钨酸的质量比对产物的影响
• 2.3.4 钨酸基无机-有机层状混杂结构的FT-IR分析
• 2.3.5 钨酸基无机-有机层状混杂结构形成机理
• 2.4 本章小结
• 3纳米晶的制备与表征'>3 WO₃纳米晶的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料与试剂
• 3.2.2 实验过程
• 3.3 结果与讨论
• 3纳米片'>3.3.1 酸处理制备WO₃纳米片
• 3纳米晶'>3.3.2 煅烧制备WO₃纳米晶
• 3.3.3 氧化钨纳米晶形成机理
• 3.4 本章小结
• 4 碳化钨微纳米晶的制备与表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料与试剂
• 4.2.2 实验过程
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 碳化钨微纳米晶的XRD分析
• 4.3.2 碳化钨微纳米晶的形貌分析
• 4.3.3 碳化钨微纳米晶的比表面积分析
• 4.3.4 碳化钨微纳米晶的激光粒度分析
• 4.3.5 碳化钨微纳米晶的TG-DTA分析
• 4.3.6 影响因素分析
• 4.3.7 钨酸基无机-有机混杂结构热解制备碳化钨微纳米晶机理
• 4.4 本章小结
• 5 氮化钨纳米晶的制备与表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原料与试剂
• 5.2.2 实验过程
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 氮化钨纳米晶的XRD分析
• 5.3.2 氮化钨纳米晶的形貌分析
• 5.3.3 氮化钨纳米晶的TG-DTA分析
• 5.3.4 影响因素分析
• 5.3.5 以钨酸基无机-有机混杂结构为前驱体制备氮化钨纳米晶机理
• 5.4 本章小结
• 6 单质钨微纳米晶的制备与表征
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 原料与试剂
• 6.2.2 实验过程
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 单质钨微纳米晶XRD分析
• 6.3.2 温度对产物的影响
• 6.3.3 钨酸基无机-有机混杂结构热解制备单质钨微纳米晶机理分析
• 6.4 本章小结
• 7 全文结论与展望
• 参考文献
• 个人简历
• 硕士期间取得的主要成绩
• 致谢