碳熱還原制備Ti（C，N）晶須的研究.pdf

1、本文以TiO<,2>和碳黑為主要原料，NaCl為鹵化劑、YiCl<,2>粉作催化劑、N<,2>為氣氛，采用碳熱還原法合成了Ti(C,N)晶須。采用X-Ray衍射研究還原溫度對合成樣品相組成的影響及合成過程中原料的相轉(zhuǎn)變行為；采用掃描電鏡觀察了不同還原溫度和還原時間合成樣品粉末和晶須的形貌，采用能譜分析了合成晶須的成分；并檢測了合成樣品粉末中殘留的游離碳和氧含量。主要探討了還原溫度、還原時間對合成樣品的相組成、形貌的影響以及合成樣品中游離

2、碳和氧含量隨還原溫度的變化；比較了NaCl、碳黑和NiCl<,2>添加量對合成樣品相組成、形貌和晶須產(chǎn)率的影響；分析了Vapor-Liquid-Solid機理即VLS機理生長Ti(C,N)晶須涉及的化學(xué)反應(yīng)，建立了Ti(C,N)晶須生長的模型和動力學(xué)方程，并研究了VLS機理生長晶須過程中催化劑屬性與晶須直徑間的關(guān)系。主要結(jié)論如下：1、)在1200℃合成時，樣品中主要發(fā)生TiO<,2>與碳黑、氮氣間的直接還原反應(yīng)形成TiN，此時尚未進行合

3、成Ti(C,N)晶須的催化還原反應(yīng)；在合成溫度為1250～1450℃時，NaCl分解產(chǎn)生的Cl原子與碳黑和TiO<,2>反應(yīng)生成TiCl<,23>在NiCl<,2>的催化作用，能夠合成出Ti(C,N)晶須。在合成溫度為1250～1350℃時，合成粉末中殘留有一定數(shù)量的Ti的氧化物和碳黑；在1400～1500℃合成的粉末為Ti(C,N)和Ni兩相組成的混合物。2)保溫時間作為的一個重要參數(shù)對合成Ti(C,N)晶須同樣有著重要的影響。合成時

4、間短，合成粉末中殘留大量的氧化物和碳黑，晶須的產(chǎn)率底；隨著保溫時間的延長，粉末中的TiN相、氧化物消失，游離碳含量明顯降低；晶須的產(chǎn)率增加。3)在原料粉末中添加NaCl主要有兩個作用：(a)產(chǎn)生合成晶須必備的氣相物質(zhì)TiCl<,23>；(b)抑制TiO<,2>、C和N<,2>間直接還原反應(yīng)。較低的碳黑添加量不利于Ti氧化物的還原，較高的碳黑添加量會導(dǎo)致合成的粉末中殘留一定數(shù)量的碳，Ti(C,N)晶須中C、N原子含量比將隨原料粉末中碳黑添

5、加量變化而改變。催化劑的添加量對晶須的長度明顯影響，在原料中添加3.77％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))催化劑的情況下，合成的晶須長度達到40μm；在原料中添加8.93％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))催化劑的情況下，晶須的長度在10-15μm左右。4)基于VLS機理生長Ti(C,N)晶須的過程建立了Ti(C,N)晶須生長模型，并通過對Ti(C,N)晶須生長動力學(xué)方程：R=(hv/πr<'2>)exp(-ΔG<,f>/kT)·δ，分析發(fā)現(xiàn)在還原溫度確定的情況下，決定晶須生長