阅读说明：本技术 一种纳米晶氮化钒粉体的制备方法 (Preparation method of nanocrystalline vanadium nitride powder ) 是由 张春雨 于 2019-12-19 设计创作，主要内容包括：一种纳米晶氮化钒粉体的制备方法,该方法是通过将钒源氢化后,然后用机械破碎方法将氢化后的钒源破碎成到一定的粒度,通过等离子雾化制粉设备的高温条件下进行脱氢和气化,然后在液氩的急冷作用下迅速冷凝成纳米钒粉,接着在氮气环境下进行钝化反应,最后生产出纳米晶氮化钒粉体。整个工艺生产成本低,工艺时间短,易于实现工业化生产。(A process for preparing the nano-crystal vanadium nitride powder includes such steps as hydrogenating the vanadium source, mechanical breaking to a certain granularity, dehydrogenating and gasifying at high temp by plasma atomizing powder preparing apparatus, quickly condensing under the action of liquid argon to obtain nano-crystal vanadium nitride powder, passivating in nitrogen atmosphere, and finally preparing the nano-crystal vanadium nitride powder. The whole process has low production cost and short process time, and is easy to realize industrial production.)

一种纳米晶氮化钒粉体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米晶氮化钒粉体的制备方法，属于钒氮合金技术领域以及纳米材料领域。

背景技术

氮化钒(VN)，别名钒氮合金，属于新型合金，作为一种过渡金属氮化物，因其在理论比容量、电子传导率、化学稳定性、抗中毒性能、电化学电势窗范围和综合机械性能等方面具有独特的优势，被广泛应用于超级电容器、催化和锂电化学等领域。

纳米氮化钒与微米级氮化钒相比，具有以下优点：1.可以降低一些材料的烧结温度，提高烧结性能；2.用它作为增强相，可有效提高金属、陶瓷基体的强度和耐磨性；3.作为催化剂，具有更高的催化活性；4.作为超导材料，具有更高的超导性能。因此，纳米氮化钒具有广阔的应用前景。

传统金属钒的氮化过程极端复杂，需要将金属粉磨至小于300目并在高温下长时间反应， 即使应用微波等离子体联合的方法，反应3小时后，需将反应物磨细后再反应3小时，才能得到相纯级氮化钒。工业上，氮化钒通常采用V2O5和炭为原料，在氮气气氛中于1250℃进行还原氮化反应，才能得到微米级氮化钒。应用金属钒粉与Li3N、Ca3N2或Mg3N2在氮气气氛中反应仅能得到不纯的氮化钒。应用上述碱金属或碱土金属氮化剂与VCl2或VCl3在真空条件下进行固一固复分解反应，或用VCl4进行液-固复分解反应，可以在温和的条件下(400～900℃)制备VN，但是反应原料价格昂贵，且也仅能得到微米级氮化钒。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是克服现有技术制取纳米晶氮化钒粉体过程中产量低、过程复杂、制备条件苛刻等不足，提供一种生产成本低，工艺时间短，易于实现工业化生产的纳米晶氮化钒粉体的制备方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明之纳米晶氮化钒粉体的制备方法，包括下述步骤：

步骤一：将钒源加入到真空氢化炉中，先将真空氢化炉抽真空到10Pa，然后向炉内通入氢气，并加热到450℃-580℃，控制炉内氢气的压力始终保持0.1Mpa-0.12Mpa，氢化处理3-5小时，反应完毕，制得氢化钒；

步骤二：将步骤一制得的氢化钒在惰性气体气氛保护条件下用机械破碎设备进行破碎，然后将破碎后的氢化钒过325目筛后，制得-325目氢化钒粉末（即粒径小于325目）；

步骤三：将步骤二制得的-325目氢化钒粉末以氩气作为载气，通入到100KW的等离子雾化制粉设备中，控制进料速度为2-5KG/H，向等离子雾化制粉设备的雾化室内通入氩气作为保护气，并且等离子雾化制粉设备以氩气作为等离子体发生气体产生等离子体炬，在等离子炬的高温下，-325目的氢化钒粉末瞬间脱氢，并迅速气化形成钒的蒸汽；然后向雾化室中通入液氩，在液氩的急速冷却下，钒蒸汽瞬间冷凝结晶，形成纳米钒粉，并落入等离子雾化制粉设备下端的粉末收集筒中。经过检测，形成的钒粉的平均粒度为30-100nm；

步骤四：取下步骤三中的粉末收集筒，从粉末收集筒底部持续通入氮气，使筒内的纳米钒粉在氮气气流的冲刷下始终处于“沸腾”翻滚状态，并控制筒内氮气的压力为0.1Mpa-0.15Mpa，经过2-4小时，最终纳米钒粉完全被氮气钝化，形成纳米晶氮化钒粉体，然后对纳米晶氮化钒粉末进行包装，并充入氮气作为保护气体。

所得纳米钒粉颗粒非常小，比表面积大，表面吸收氮气就转化成氮化钒, 利用纳米粉末的活泼性质，完全吸收氮气生成氮化钒。

优选的，步骤一中，钒源为海绵钒、钒块、钒丝中的至少一种。

优选的，步骤二中，机械破碎方法为球磨破碎、气流破碎中的一种。

优选的，步骤二中，惰性气体为氩气。

优选的，步骤三中，等离子雾化制粉设备为射频等离子雾化制粉设备、微波等离子雾化制粉设备、高频感应等离子雾化制粉设备中的一种。

优选的，步骤四中，通入氮气的温度为0-200℃。

优选的，将所述步骤四中的粉末收集筒固定在翻滚设备上，使粉末收集筒不断翻滚。

本发明的有益效果为:

本发明之纳米晶氮化钒粉体的制备方法，利用钒的氢脆特性，吸收氢气后的钒源极易在机械破碎方法之下形成微米级的氢化钒粉末，然后氢化钒粉末在等离子炬的高温下极易脱氢和气化，在液氩的冷却下形成纳米的钒粉，最终纳米钒粉由于比表面积较大，活性较大，极易被氮气钝化形成纳米晶氮化钒粉体。本发明之纳米晶氮化钒粉体的制备方法具有生产成本低，工艺时间短，易于实现工业化生产的优点。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明之纳米晶氮化钒粉体的制备方法，包括下述步骤：

步骤一：将钒源加入到真空氢化炉中，先将真空氢化炉抽真空到10Pa，然后向炉内通入氢气，并加热到450℃-580℃，控制炉内氢气的压力始终保持0.1Mpa-0.12Mpa，氢化处理3-5小时反应完毕，制得氢化钒；

步骤二：将步骤一制得的氢化钒在惰性气体气氛保护条件下用机械破碎设备进行破碎，然后将破碎后的氢化钒过325目筛后制得-325目氢化钒粉末；

步骤三：将步骤二制得的-325目氢化钒粉末以氩气作为载气，通入到100KW的等离子雾化制粉设备中，控制进料速度为2-5KG/H，向等离子雾化制粉设备的雾化室内通入氩气作为保护气，并且等离子雾化制粉设备以氩气作为等离子体发生气体产生等离子体炬，在等离子炬的高温下，-325目的氢化钒粉末瞬间脱氢，并迅速气化形成钒的蒸汽；然后向雾化室中通入液氩，在液氩的急速冷却下，钒蒸汽瞬间冷凝结晶，形成纳米钒粉，并落入等离子雾化制粉设备下端的粉末收集筒中。经过检测，形成的钒粉的平均粒度为30-100nm；

步骤四：取下步骤三中的粉末收集筒，从粉末收集筒底部持续通入氮气，使筒内的纳米钒粉在氮气气流的冲刷下始终处于“沸腾”翻滚状态，并控制筒内氮气的压力为0.1Mpa-0.15Mpa，经过2-4小时最终纳米钒粉完全被氮气钝化，形成纳米晶氮化钒粉体，然后对纳米晶氮化钒粉末进行包装，并充入氮气作为保护气体。

优选的，所述步骤一的钒源为海绵钒、钒块、钒丝中的至少一种。

优选的，所述步骤二的机械破碎方法为球磨破碎、气流破碎中的一种。

优选的，所述步骤三的等离子雾化制粉设备为射频等离子雾化制粉设备、微波等离子雾化制粉设备、高频感应等离子雾化制粉设备中的一种。

优选的，所述步骤四中通入氮气的温度为0-200℃。

优选的，将所述步骤四中的粉末收集筒固定在翻滚设备上，使粉末收集桶不断翻滚。

以下实施例2-4为采用实施例1工艺的具体应用实施例。

实施例2

本实施例的机械破碎设备为球磨机，等离子雾化制粉设备为100KW的射频等离子雾化制粉设备。

步骤一：将粒度为3-20mm的海绵钒加入到真空氢化炉中，先将真空氢化炉抽真空到10Pa，然后向炉内通入氢气，并加热到450℃，控制炉内氢气的压力始终保持0.1Mpa-0.12Mpa，氢化处理5小时，反应完毕，制得氢化钒；

步骤二：将步骤一制得的氢化钒在惰性气体氩气气氛保护条件下用球磨机进行球磨破碎，球磨机的内衬和磨球均采用氧化锆陶瓷材质，以防止其他材质对氢化钒的掺杂，控制球磨机的球料比为2.5:1，经过球磨机的研磨后，将研磨破碎后的氢化钒过325目筛，然后制得-325目氢化钒粉末；

步骤三：将步骤二制得的-325目氢化钒粉末以氩气作为载气，通入到100KW的射频等离子雾化制粉设备中，控制进料速度为2KG/H，向射频等离子雾化制粉设备的雾化室内通入氩气作为保护气，并且射频等离子雾化制粉设备以氩气作为等离子体发生气体产生等离子体炬，在等离子炬的高温下，-325目的氢化钒粉末瞬间脱氢，并迅速气化形成钒的蒸汽；然后向雾化室中通入液氩，在液氩的急速冷却下，钒蒸汽瞬间冷凝结晶，形成纳米钒粉，并落入射频等离子雾化制粉设备下端的粉末收集筒中。经过检测，形成的钒粉的平均粒度为30nm；

步骤四：取下步骤三中的粉末收集筒，从粉末收集筒底部持续通入0℃氮气，使筒内的纳米钒粉在氮气气流的冲刷下始终处于“沸腾”翻滚状态，并控制筒内氮气的压力为0.1Mpa-0.15Mpa，经过4小时，最终纳米钒粉完全被氮气钝化，形成纳米晶氮化钒粉体，然后对纳米晶氮化钒粉末进行包装，并充入氮气作为保护气体。

经过检测，包装后的纳米氮化钒粉体的平均粒度为35nm，含氢量为50ppm以下，在室温环境下放置三个月，粉末性质无变化。

实施例3

本实施例的机械破碎设备为气流破碎机，等离子雾化制粉设备为100KW的微波等离子雾化制粉设备。

步骤一：将粒度为10-30mm的海绵钒加入到真空氢化炉中，先将真空氢化炉抽真空到10Pa，然后向炉内通入氢气，并加热到580℃，控制炉内氢气的压力始终保持0.1Mpa-0.12Mpa，氢化处理3小时，反应完毕，制得氢化钒；

步骤二：将步骤一制得的氢化钒在惰性气体氩气气氛保护条件下用气流破碎机进行气流破碎，气流破碎机中与氢化钒接触的部位都采用304不锈钢材质，以防止其他材质对氢化钒的掺杂，经过气流破碎机的破碎后，将破碎后的氢化钒过325目筛，然后制得-325目氢化钒粉末；

步骤三：将步骤二制得的-325目氢化钒粉末以氩气作为载气，通入到100KW的微波等离子雾化制粉设备中，控制进料速度为5KG/H，向微波等离子雾化制粉设备的雾化室内通入氩气作为保护气，并且微波等离子雾化制粉设备以氩气作为等离子体发生气体产生等离子体炬，在等离子炬的高温下，-325目的氢化钒粉末瞬间脱氢，并迅速气化形成钒的蒸汽；然后向雾化室中通入液氩，在液氩的急速冷却下，钒蒸汽瞬间冷凝结晶，形成纳米钒粉，并落入微波等离子雾化制粉设备下端的粉末收集筒中。经过检测，形成的钒粉的平均粒度为100nm；

步骤四：取下步骤三中的粉末收集筒，从粉末收集筒底部持续通入200℃氮气，使筒内的纳米钒粉在氮气气流的冲刷下始终处于“沸腾”翻滚状态，并控制筒内氮气的压力为0.1Mpa-0.15Mpa，经过2小时最终纳米钒粉完全被氮气钝化，形成纳米晶氮化钒粉体，然后对纳米晶氮化钒粉末进行包装，并充入氮气作为保护气体。

经过检测，包装后的纳米氮化钒粉体的平均粒度为110nm，含氢量为80ppm以下，在室温环境下放置三个月，粉末性质无变化。

实施例4

本实施例的机械破碎设备为球磨机，等离子雾化制粉设备为100KW的高频感应等离子雾化制粉设备。

步骤一：将直径为0.3-2mm钒丝加入到真空氢化炉中，先将真空氢化炉抽真空到10Pa，然后向炉内通入氢气，并加热到500℃，控制炉内氢气的压力始终保持0.1Mpa-0.12Mpa，氢化处理4小时反应完毕，制得氢化钒；

步骤二：将步骤一制得的氢化钒在惰性气体氩气气氛保护条件下用球磨机进行球磨破碎，球磨机的内衬和磨球均采用氧化锆陶瓷材质，以防止其他材质对氢化钒的掺杂，控制球磨机的球料比为2:1，经过球磨机的研磨后，将研磨破碎后的氢化钒过325目筛，然后制得-325目氢化钒粉末；

步骤三：将步骤二制得的-325目氢化钒粉末以氩气作为载气，通入到100KW的高频感应等离子雾化制粉设备中，控制进料速度为3KG/H，向高频感应等离子雾化制粉设备的雾化室内通入氩气作为保护气，并且高频感应等离子雾化制粉设备以氩气作为等离子体发生气体产生等离子体炬，在等离子炬的高温下，-325目的氢化钒粉末瞬间脱氢，并迅速气化形成钒的蒸汽；然后向雾化室中通入液氩，在液氩的急速冷却下，钒蒸汽瞬间冷凝结晶，形成纳米钒粉，并落入高频感应等离子雾化制粉设备下端的粉末收集筒中。经过检测，形成的钒粉的平均粒度为80nm；

步骤四：取下步骤三中的粉末收集筒，从粉末收集筒底部持续通入100℃氮气，使筒内的纳米钒粉在氮气气流的冲刷下始终处于“沸腾”翻滚状态，并控制筒内氮气的压力为0.1Mpa-0.15Mpa，并将粉末收集筒固定在翻滚设备上，使粉末收集桶不断翻滚。经过3小时最终纳米钒粉完全被氮气钝化，形成纳米晶氮化钒粉体，然后对纳米晶氮化钒粉末进行包装，并充入氮气作为保护气体。

经过检测，包装后的纳米氮化钒粉体的平均粒度为82nm，含氢量为60ppm以下，在室温环境下放置三个月，粉末性质无变化。