低压碳热冲击还原快速制备难熔碳化物

发布日期:2022-09-11     浏览次数:次   

我院田中群院士团队范凤茹副教授课题组在面向工业化应用的难熔碳化物的制备方法学研究中取得重要进展,相关成果以“A general method for rapid synthesis of refractory carbides by low-pressure carbothermal shock reduction(低压碳热冲击还原快速制备难熔碳化物)为题,发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS, 2022. DOI: 10.1073/pnas.2121848119)。

难熔碳化物因高机械强度、高熔点和助催化作用等特点,在异相催化研究领域愈发受到重视。作为典型的难熔碳化物,碳化硅(SiC)具有高化学惰性、高热稳定性、机械性能优异以及高热导率等优点,有望用作新型固体催化剂载体材料。工业制备SiC常采用Acheson法,所制备的SiC粉末比表面积较低、能耗大且成本高昂,阻碍了SiC的大规模工业应用。

图1 低压碳热还原SiO2制备SiC

针对上述问题,该团队基于勒夏特列原理(Le Chatelier’s principle),提出了一种用于快速制备难熔碳化物的普适策略:在低压环境下通过碳热冲击还原氧化物前驱体制备难熔碳化物。本策略成功应用于快速制备高比表面积SiC载体。具体而言,该研究首先对碳热还原SiO2制备SiC进行了热力学和动力学分析,指出:(1)低压环境有利于降低整体反应的吉布斯自由能,使得反应的起始温度向低温区移动;(2)低压环境可以加速SiO气态中间反应物分子向碳基反应物扩散进而提高SiC的生成速率。该研究团队通过实验证明在~40 Pa的低压环境下,碳热还原制备SiC的温度可以降低至1200°C,制备时间缩短至约30秒,产物SiC的比表面积高达569.9 m2 g1。该方法有望在大幅降低生产能耗的前提下高效地制备低成本和高比表面的SiC。该研究团队与厦门大学材料学院解荣军教授团队/李淑星老师密切合作,在真空烧结炉中进一步验证了高比表面积SiC的宏量化制备的工业可行性,单次产量可达12 g以上,反应温度为1300°C(时间:5 min;压强:0.97 Pa),相较于传统制备条件显著降低了反应温度和反应时长。此外,通过与华中科技大学姚永刚教授密切合作,该研究工作进一步验证了低压碳热冲击还原策略在多种难熔金属碳化物快速制备中的普适性,例如NbCMo2CTaCWC甚至是VNbMoTaWC5TiVNbTaWC5等难熔金属的高熵碳化物。总结而言,该研究为碳化物基先进功能材料的高效可控制备,提供了超越温度和时间之外新的调控维度——压强,有望加速推动先进难熔碳化物的工业化应用。

该研究工作由范凤茹副教授指导完成,2018级博士生韩业创(现为嘉庚创新实验室博士后)为论文第一作者。华中科技大学姚永刚教授对本研究给予了大力支持和指导。我院廖洪钢教授、加州大学圣巴巴拉分校Galen D. Stucky教授、安徽大学葛炳辉教授、景德镇陶瓷大学曾小军教授等对研究工作给予了重要支持和帮助。该研究工作获得国家重点研发计划(2020YFB15058002021YFA1201502)、国家自然科学基金(2172780752101255)、嘉庚创新实验室和固体表面物理化学国家重点实验室的支持和资助。

论文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2121848119 

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