一种碳化铌纳米材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种碳化铌纳米材料及其制备方法 (Niobium carbide nano material and preparation method thereof ) 是由 周海铃 陈怀俊 于 2021-03-23 设计创作，主要内容包括：本发明适用于纳米活性材料技术领域,提供了一种碳化铌纳米材料及其制备方法,该碳化铌纳米材料的制备方法包括以下步骤：以五氧化二铌为铌源,以丙酮、活性炭、石墨、石墨烯中的至少一种为碳源,将铌源、碳源和还原剂进行混合后,再进行微波辅助反应,得到反应粉末；将反应粉末置于酸溶液中进行酸浸后,再经干燥和过滤处理,得到所述碳化铌纳米材料。本发明实施例提供的制备方法,可以使五氧化二铌中氧逸出,然后通过在Nb晶体中逐渐加碳源而碳化还原形成NbC。本发明通过采用了微波辅助反应的方法,既可以大大降低反应所需温度,减少能源损耗,而且其制备的碳化铌纳米材料形貌粒径较均匀,易于进行表面功能化。(The invention is suitable for the technical field of nano active materials, and provides a niobium carbide nano material and a preparation method thereof, wherein the preparation method of the niobium carbide nano material comprises the following steps: mixing niobium pentoxide serving as a niobium source and at least one of acetone, activated carbon, graphite and graphene serving as a carbon source, and then carrying out microwave-assisted reaction to obtain reaction powder; and placing the reaction powder in an acid solution for acid leaching, and then drying and filtering to obtain the niobium carbide nano material. According to the preparation method provided by the embodiment of the invention, oxygen in niobium pentoxide can escape, and then the niobium pentoxide is carbonized and reduced to form NbC by gradually adding a carbon source into Nb crystals. The invention adopts the microwave-assisted reaction method, so that the temperature required by the reaction can be greatly reduced, the energy consumption is reduced, and the prepared niobium carbide nano material has uniform shape and particle size and is easy to carry out surface functionalization.)
技术领域
本发明属于纳米活性材料技术领域，尤其涉及一种碳化铌纳米材料及其制备方法。
背景技术
随着医用植入物的大量使用，医用植入物相关感染日益被认为是一个棘手的全球公共卫生问题。入侵细菌倾向于迅速粘附到生物活性植入物表面并形成生物膜，从而在存在敌意的宿主环境中生存。生物膜的聚合基质抵抗抗生素和免疫细胞的渗透，与浮游细菌相比表现出极大的抵抗力。考虑到生物被膜的形成是种植体相关感染的主要病理特征，细菌附着是生物被膜形成的主要原因，人们已经做出了广泛的努力来开发含有抗菌剂的植入物。到目前为止，这些设计主要是抑制细菌粘附，对已经形成的生物膜影响有限。此外，由于银等传统抗菌离子的长期使用，耐银细菌已经报告，这是对传统治疗方案可能诱导耐药性的警告。在抗菌药物和抗菌膜开发中缺乏有效策略的情况下，受纳米医学等领域进展启发的创新方法越来越受到人们的青睐，以实现创新型抗菌剂。
Mxene显示出良好的抗菌性能。碳化铌是生物降解性MXene的一种。碳化铌具有氧化应激响应的生物降解性，杀菌后在富含H2O2的感染性微环境(IME)中会逐渐降解。碳化铌能够通过下调细菌能量代谢途径，抑制生物膜的形成，通过激活辅助基因调节来破坏生物膜，促进生物膜的脱落，从而直接消除细菌。降低了根除细菌所需的温度，并减轻了可能的正常组织损伤。能够清除感染微环境中过量的活性氧，从而减轻促炎反应。
据报道，Li等人以类石墨和五氧化二铌在1150℃的化学反应合成碳化铌的固相反应工艺。通过化学反应合成碳化铌粉末。还有人以碳纳米管、氯化铌和氢气为原料，在900℃下合成了碳化铌纳米线。
以上碳化铌纳米材料的制备方法都存在着反应温度较高、原料成本高、能源损耗较高、工艺复杂、操作不便等缺点，而且还存在制得的纳米颗粒形貌粒径较不均匀等问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种碳化铌纳米材料的制备方法，旨在解决背景技术中提出的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种碳化铌纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：
以五氧化二铌为铌源，以丙酮、活性炭、石墨、石墨烯中的至少一种为碳源，将铌源、碳源和还原剂进行混合后，再进行微波辅助反应，得到反应粉末；
将反应粉末置于酸溶液中进行酸浸后，再经干燥和过滤处理，得到所述碳化铌纳米材料。
其中，石墨烯在反应过程中与氧化铌的接触面积大，更容易夺取五氧化二铌网络结构中的氧。
作为本发明实施例的一个优选方案，所述铌源与碳源的摩尔比为1:(1~20)。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述铌源与还原剂的摩尔比为1:(1~10)。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述还原剂为镁、铝、锌和铁中的至少一种。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述还原剂为镁。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述酸溶液为强酸溶液，譬如盐酸、硝酸和硫酸等。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述酸溶液为盐酸溶液，其质量百分比浓度为40%~60%。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述微波辅助反应的温度为100~200℃，微波功率为500~1200W，微波辐射频率为2400~2500MHz。
本发明实施例的另一目的在于提供一种上述制备方法制得的碳化铌纳米材料。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述碳化铌纳米材料的粒径为17~90nm。
本发明实施例提供的一种碳化铌纳米材料的制备方法，可以使五氧化二铌中氧逸出，然后通过在Nb晶体中逐渐加碳源而碳化还原形成NbC。本发明通过采用了微波辅助反应的方法，既可以大大降低反应所需温度，减少能源损耗，具有反应温度较低、原料成本低、能耗低、工艺简单、操作简便等特点，而且其制备的碳化铌纳米材料形貌粒径较均匀，易于进行表面功能化，可广泛应用于生物医药领域。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的碳化铌纳米材料的TEM图。
图2为本发明实施例1制得的碳化铌纳米材料经表面功能化后的TEM图。
图3为本发明实施例2制得的碳化铌纳米材料的TEM图。
图4为本发明实施例2制得的碳化铌纳米材料经表面功能化后的TEM图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
该实施例提供了一种碳化铌纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、以五氧化二铌为铌源，以丙酮为碳源，以镁为还原剂，将1mmol的铌源、10mmol的碳源和5mmol的还原剂进行混合后，再置于微波炉反应釜中，升温至150℃进行微波辅助反应6h，同时进行机械搅拌，得到反应粉末；其中，微波功率为800W，微波辐射频率为2450MHz。
S2、将上述反应粉末置于质量百分比浓度为50%的盐酸溶液中进行酸浸24h后，再经干燥和过滤处理，即可得到碳化铌纳米材料；该碳化铌纳米材料的粒径为90nm，其TEM图如附图1所示。另外，按照现有技术的常规方法，在该碳化铌纳米材料的表面负载氨基（-NH2）官能团后，其TEM图如附图2所示。从图1和2中可以看出，本发明实施例制得的碳化铌纳米材料形貌粒径较均匀，易于进行表面负载其他官能团，以进行功能化修饰。
实施例2
该实施例提供了一种碳化铌纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、以五氧化二铌为铌源，以活性炭为碳源，以镁为还原剂，将1mmol的铌源、10mmol的碳源和5mmol的还原剂进行混合后，再置于微波炉反应釜中，升温至150℃进行微波辅助反应6h，同时进行机械搅拌，得到反应粉末；其中，微波功率为800W，微波辐射频率为2450MHz。
S2、将上述反应粉末置于质量百分比浓度为50%的盐酸溶液中进行酸浸24h后，再经干燥和过滤处理，即可得到碳化铌纳米材料；该碳化铌纳米材料的粒径为17nm，其TEM图如附图3所示。另外，按照现有技术的常规方法，在该碳化铌纳米材料的表面负载羧基（-COOH）官能团后，其TEM图如附图4所示。从图3和4中可以看出，本发明实施例制得的碳化铌纳米材料形貌粒径较均匀，易于进行表面负载其他官能团，以进行功能化修饰。
实施例3
该实施例提供了一种碳化铌纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、以五氧化二铌为铌源，以石墨为碳源，以铝为还原剂，将1mmol的铌源、1mmol的碳源和1mmol的还原剂进行混合后，再置于微波炉反应釜中，升温至100℃进行微波辅助反应0.5h，同时进行机械搅拌，得到反应粉末；其中，微波功率为500W，微波辐射频率为2400MHz。
S2、将上述反应粉末置于质量百分比浓度为40%的盐酸溶液中进行酸浸1h后，再经干燥和过滤处理，即可得到碳化铌纳米材料。
实施例4
该实施例提供了一种碳化铌纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、以五氧化二铌为铌源，以石墨烯中为碳源，以锌为还原剂，将1mmol的铌源、20mmol的碳源和10mmol的还原剂进行混合后，再置于微波炉反应釜中，升温至200℃进行微波辅助反应12h，同时进行机械搅拌，得到反应粉末；其中，微波功率为1200W，微波辐射频率为2500MHz。
S2、将上述反应粉末置于质量百分比浓度为60%的盐酸溶液中进行酸浸48h后，再经干燥和过滤处理，即可得到碳化铌纳米材料。
实施例5
该实施例提供了一种碳化铌纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、以五氧化二铌为铌源，以丙酮、活性炭的等摩尔比混合物为碳源，以铁为还原剂，将1mmol的铌源、2mmol的碳源和2mmol的还原剂进行混合后，再置于微波炉反应釜中，升温至150℃进行微波辅助反应6h，同时进行机械搅拌，得到反应粉末；其中，微波功率为800W，微波辐射频率为2450MHz。
S2、将上述反应粉末置于质量百分比浓度为50%的盐酸溶液中进行酸浸24h后，再经干燥和过滤处理，即可得到碳化铌纳米材料。
实施例6
该实施例提供了一种碳化铌纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、以五氧化二铌为铌源，以石墨、石墨烯的等摩尔比混合物为碳源，以锌和铁的等摩尔比混合物作为还原剂，将1mmol的铌源、15mmol的碳源和5mmol的还原剂进行混合后，再置于微波炉反应釜中，升温至150℃进行微波辅助反应6h，同时进行机械搅拌，得到反应粉末；其中，微波功率为800W，微波辐射频率为2450MHz。
S2、将上述反应粉末置于质量百分比浓度为50%的盐酸溶液中进行酸浸24h后，再经干燥和过滤处理，即可得到碳化铌纳米材料。
实施例7
该实施例提供了一种碳化铌纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、以五氧化二铌为铌源，以活性炭、石墨、石墨烯的等摩尔比混合物为碳源，以镁、铝、锌的等摩尔比混合物作为还原剂，将1mmol的铌源、18mmol的碳源和3mmol的还原剂进行混合后，再置于微波炉反应釜中，升温至150℃进行微波辅助反应6h，同时进行机械搅拌，得到反应粉末；其中，微波功率为800W，微波辐射频率为2450MHz。
S2、将上述反应粉末置于质量百分比浓度为50%的盐酸溶液中进行酸浸24h后，再经干燥和过滤处理，即可得到碳化铌纳米材料。
实施例8
该实施例提供了一种碳化铌纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、以五氧化二铌为铌源，以丙酮、石墨烯的等摩尔比混合物为碳源，以镁、铝的等摩尔比混合物作为还原剂，将1mmol的铌源、10mmol的碳源和2mmol的还原剂进行混合后，再置于微波炉反应釜中，升温至150℃进行微波辅助反应6h，同时进行机械搅拌，得到反应粉末；其中，微波功率为800W，微波辐射频率为2450MHz。
S2、将上述反应粉末置于质量百分比浓度为50%的盐酸溶液中进行酸浸24h后，再经干燥和过滤处理，即可得到碳化铌纳米材料。
实施例9
该实施例提供了一种碳化铌纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、以五氧化二铌为铌源，以石墨烯为碳源，以镁为还原剂，将1mmol的铌源、12mmol的碳源和3mmol的还原剂进行混合后，再置于微波炉反应釜中，升温至150℃进行微波辅助反应6h，同时进行机械搅拌，得到反应粉末；其中，微波功率为800W，微波辐射频率为2450MHz。
S2、将上述反应粉末置于质量百分比浓度为50%的盐酸溶液中进行酸浸24h后，再经干燥和过滤处理，即可得到碳化铌纳米材料。
实施例10
该实施例提供了一种碳化铌纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、以五氧化二铌为铌源，以活性炭、石墨烯的等摩尔比混合物为碳源，以镁为还原剂，将1mmol的铌源、15mmol的碳源和8mmol的还原剂进行混合后，再置于微波炉反应釜中，升温至150℃进行微波辅助反应6h，同时进行机械搅拌，得到反应粉末；其中，微波功率为800W，微波辐射频率为2450MHz。
S2、将上述反应粉末置于质量百分比浓度为50%的盐酸溶液中进行酸浸24h后，再经干燥和过滤处理，即可得到碳化铌纳米材料。
综上所述，本发明实施例提供的一种碳化铌纳米材料的制备方法，可以使五氧化二铌中氧逸出，然后通过在Nb晶体中逐渐加碳源而碳化还原形成NbC。本发明通过采用了微波辅助反应的方法，既可以大大降低反应所需温度，减少能源损耗，具有反应温度较低、原料成本低、能耗低、工艺简单、操作简便等特点，而且其制备的碳化铌纳米材料形貌粒径较均匀，易于进行表面功能化，可广泛应用于生物医药领域。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。