Электрохимический способ получения нанопорошков диборида титана



Электрохимический способ получения нанопорошков диборида титана
Электрохимический способ получения нанопорошков диборида титана

 


Владельцы патента RU 2465096:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к электрохимическому способу получения нанопорошков диборида титана, может быть использовано в получении неоксидной керамики для высокотемпературных агрегатов типа электролизера для производства алюминия. Нанопорошки диборида титана получают импульсной анодно-катодной поляризацией титана в расплавленной эвтектической смеси хлоридов цезия и натрия, содержащей от 0,2 до 2,0 мас.% оксида бора при температуре в интервале 810-840 К в атмосфере аргона. Технический результат заключается в упрощении технологии получения нанопорошка диборида титана и повышении выхода годного. 2 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к получению нанопорошков диборида титана и может быть использовано в получении неоксидной керамики, обладающей рядом уникальных свойств, необходимых, например, в высокотемпературных агрегатах типа электролизера для производства алюминия.

Промышленные способы получения порошков диборида титана основываются по большей части на высокотемпературном карботермическом восстановлении смеси рутила и борной кислоты при температурах выше 1800 К: ТiO22O3+5С→TiB2+5СО.

При температурах 1313-1473 К в атмосфере аргона эта реакция протекает с образованием вискеров диборида титана (L'.Bača, N.Stelzer, Adapting of sol-gel process for preparation of TiB2 powder from low-cost precursors // J.European Ceramic Society, 28, 5, 2008, 907-911) [1], R.V.Krishnarao, J.Subrahmanyam, Studies on the formation of TiB2 through carbothermal reduction of TiO2 and В2O3 // Materials Science and Engineering A, 362, 1-2, 2003, 145-151) [2]. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (CBC) позволяет получать порошки диборида титана высокой чистоты. Реакционная смесь, как правило, состоит из порошкообразного металла - магния или алюминия - диоксида титана и оксида бора:

ТiO22O3+5MgO→TiB2+5MgO (W.Weimin, F.Zhengyi, W.Hao, Y.Runzhang, Chemistry reactions processes during combustion synthesis of B2O3-ТiO2 - Mg system // J/Mater. Proc.Technol., 2002, 128, 162-168) [3].

Этот процесс становится более быстрым и идет со 100% выходом, если предварительно активировать порошки реагентов механохимическим методом. При этом синтезируются порошки диборида титана с размерами 30-40 нм (R.Ricceri, P.Matteazzi, A fast and low-cost room temperature process for TiB2 formation by mechanosynthesis // Materials science and engineering A, 379, 2004, 341-346)[4].

В другой модификации этого метода используется хлорид натрия как разбавитель (A.K.Khanra, L.Ch.Pathak, S.K.Mishra, M.M.Godkhindi, Effect of NaCl on the synthesis of TiB2 powder by self-propagating high-temperature synthesis technique // Mater.Lett, 2004, 58, 733-738) [5]. Эти материалы смешиваются и помещаются в высокотемпературный тигель. Затем смесь зажигают, температура смеси достигает 2000°С и приводит к полному взаимодействию оксидов и порошка металла.

Известна также возможность получения электротермическим методом (Марковский Л.Я., Оршанский Д.Л., Прянишников В.П. Химическая электротермия. М., Госхимиздат, 1952, 408 с.) [6] диборида титана спеканием в электрической печи, в защитной атмосфере аргона, спрессованной смеси порошков карбидов титана и бора, реагирующих при температуре порядка 2200 К по реакции: 2TiC+B4C→2TiB2+3С.

Нанокристаллический диборид титана с близким по распределению размером частиц может быть приготовлен методом восстановления с последующим борированием при 400°С, в котором трибромид бора и титановый порошок использовались как реагенты, а металлический натрий - как восстановитель (L.Chen, Y.Gu, L.Shi, Z.Yang, J.Ma, Y.Qian, A reduction-boronation route to nanocrystalline titanium diboride // Solid State Commun., 2004, 130, 231-233) [7]. Предлагается способ получения нанокристаллического диборида титана по сольвотермической реакции TiCl4 с NaBH4 при 500-700°С в автоклаве (L.Chen, Y.Gu, Y.Qian, L.Shi, Z.Yang, J.Ma, A facile one-step route to nanocrystalline TiB2 powders // Mater.Res.Bull., 2004, 39, 609-613)[8], (С.E.Кравченко, В.И.Торбов, С.П.Шилкин. Получение наноразмерного порошка диборида титана // Неорганические материалы, том 46, №6, Июнь 2010, С.691-693) [9].

Нанокристаллический порошок диборида титана может быть синтезирован адаптированным методом Печини для синтеза неоксидных порошков взаимодействием дешевых неорганических прекурсоров (TiCl4 и В2O3) с лимонной кислотой и полимеризацией этиленгликолем с последующим отжигом при 700-1600°С.Одним из самых распространенных методов синтеза порошков диборида титана в настоящее время является восстановление смесью карбида бора и графита (C.Subramanian, T.S.R.Ch.Murthy, A.K.Suri, Synthesis and consolidation of titanium diboride // International J.Refractory metals and hard materials, 25, 2007, 345-350) [10]. Карбид бора восстанавливает оксид титана по реакции:

2ТiO24С+С→2TiB2+4СО↑.

Однако формирование диборида титана по этой реакции термодинамически возможно только при температурах выше 1257 К, т.к. при более низких температурах величины энергий Гиббса отрицательны. Кроме того, для получения диборида титана необходим высокий вакуум.

В известном способе получении нанопорошков диборида титана (RU 2354503, публ. 2009 г.) [11] процесс синтеза диборида титана осуществляют одновременным восстановлением трихлорида бора и тетрахлорида титана натрием при температуре 900-1000°С (см. Пример). При этом известно, что трихлорид бора и тетрахлорид титана чрезвычайно летучие вещества. При высокой температуре процесса унос этих веществ из реактора будет крайне высоким, проконтролировать его известными средствами невозможно.

Электрохимический синтез порошка диборида титана дешевле и проще известных способов. В зависимости от параметров процесса могут быть получены ультрадисперсные порошки, состав осадка может быть тщательно проконтролирован при помощи параметров процесса осаждения. Процесс имеет довольно низкую температуру синтеза.

Задача настоящего изобретения заключается в электрохимическом получении нанопорошков диборида титана. Для этого заявлен электрохимический способ получения нанопорошков диборида титана, характеризующийся импульсной анодно-катодной поляризацией титана в расплавленной эвтектической смеси хлоридов цезия и натрия, содержащей от 0,2 до 2,0 мас.% оксида бора при температуре в интервале 810-840 К в атмосфере аргона.

В заявленном способе синтез нанопорошка диборида титана идет восстановлением оксида бора металлическим титаном при температуре 810-840 К (540-570°С) по формуле: 5Ti+2B2O3→2TiB2+3TiO2. Образующийся в результате этой реакции нанокристаллический диоксид титана легко может быть отделен после растворения солевого электролита в дистиллированной воде: более тяжелые частицы диборида титана оседают на дно, а более легкие - диоксида титана остаются в растворе в виде взвеси. При необходимости образующийся диоксид титана может быть также удален растворением осадка, например, в соляной кислоте. Процесс идет в одну стадию, необходимости в дополнительном восстановителе нет. Летучие вещества в заявленном способе не используются, потерь титана нет, т.к. практически весь титан переходит в порошок диборида титана.

Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в упрощении технологии получения нанопорошка диборида титана и повышении выхода годного.

Пример

В кварцевую ячейку помещаем 50 г мелкораздробленной смеси хлоридов цезия и натрия, добавляли к ней 0.2 мас.% порошкообразного оксида бора (0.1 г), ячейку закрывали вакуумной пробкой, вакуумировали, нагревали до температуры 840 К (570°С) при непрерывной откачке, после чего наполняли газовое пространство ячейки аргоном марки «вч». Образец титана с площадью 4 см2 на титановом токоподводе опускали в расплав и немедленно начинали поляризацию в импульсном режиме с плотностью анодного тока 0.8 мА·см-2 и плотностью катодного тока 1 мА·см-2 с длительностью импульсов как анодного, так и катодного тока 100 сек в течение 2 ч. При этом весь титановый образец переходит в диборид титана, представляющий собой агломерированный нанопорошок. Размер отдельных частиц составляет 20-50 нм. Полученный порошок представлен на микрофотографиях (фиг.1, 2).

Электрохимический способ получения нанопорошков диборида титана, характеризующийся тем, что осуществляют импульсную анодно-катодную поляризацию титана в расплавленной эвтектической смеси хлоридов цезия и натрия, содержащей от 0,2 до 2,0 мас.% оксида бора, при температуре в интервале 810-840 К в атмосфере аргона.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения железоуглеродных наночастиц, характеризующемуся тем, что гранулы железа обрабатывают импульсными электрическими разрядами в реакторе в дисперсионной среде октана или декана.

Изобретение относится к химическим источникам тока и касается получения фторированного углеродного материала для положительных электродов первичных литиевых источников тока, а именно полифторфуллеренов формулы C60Fn , фторированной фуллереновой сажи и может быть использован для тонкопленочных покрытий, водоотталкивающих красок, нанокомпозитов, как антифрикционная противоизносная добавка в масла и консистентные смазки.

Изобретение относится к конструкциям многослойных панелей, а именно к металлическим композитным панелям, которые могут применяться в современном промышленном и гражданском строительстве.

Изобретение относится к области высокотемпературной электрохимии, в частности к электролитическому получению нановискерных структур оксида меди, и может быть использовано в технологии катализаторов.

Изобретение относится к технологии получения тонкопленочных материалов на основе систем двойных оксидов, применяемых в быстроразвивающихся областях электронной техники и светотехнической промышленности, производстве материалов катализаторов, в качестве функционально-чувствительных, декоративных, фильтрующих и перераспределяющих излучение покрытий.
Изобретение относится к области гетерогенного катализа, в частности к способу получения катализатора для орто-пара конверсии протия. .

Изобретение относится к способу получения катализатора для изотопного обмена протия-дейтерия. .
Изобретение относится к способу получения катализатора для изотопного обмена протия-дейтерия. .
Изобретение относится к способу получения катализатора для изотопного обмена протия-дейтерия. .

Изобретение относится к технологии получения нанодисперсных порошков. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способу получения нанотрубок оксида вольфрама, и может быть использовано при производстве твердых сплавов.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении разрывных электроконтактов. .

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для получения наноразмерных порошков плазмохимическим методом. .
Изобретение относится к способу получения иридия из тетракис(трифторфосфин)гидрида иридия и может быть использовано для получения порошка металлического иридия высокой чистоты.

Изобретение относится к области нанохимии, конкретно касается способа получения халькогенидов металлов в наноразмерном состоянии. .

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения порошка нестехиометрического гидрида титана с заданными содержанием водорода и удельной поверхностью.

Изобретение относится к гидрометаллургии редкоземельных металлов, а именно к получению кристаллических нанопорошков оксидов лантаноидов. .

Изобретение относится к способам получения изделия из металлического сплава без плавления. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к установке для пиролиза жидкого рабочего состава с получением порошка, в частности нитрида алюминия. .

Изобретение относится к области получения порошковых материалов, в частности к получению нанопорошков
Наверх