低温碳热还原法制备氮化钒的基础性研究

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氮化钒作为一种典型的过渡金属氮化物,具有优异的物理化学性能。在钢铁添加剂、电极材料、催化剂、超级电容器方面有广泛的应用前景。随着氮化钒应用领域与方式的扩展,市场对氮化钒的需求逐年上升。目前国内工业上主要采用推板窑氮化还原五氧化二钒生产氮化钒,该方法虽然产量大,但生产温度高达1500℃,周期长达20小时以上。从氮化钒制备过程中含钒原料及还原的选择角度出发,可对传统的氮化钒制备工艺进行优化和改进。考虑到多钒酸铵是生产五氧化二钒的上游原料,使用多钒酸铵作为含钒原料合成氮化钒,能有效的节约成本,简化工序,而且多钒酸铵加热过程中会分解出氨气,其也能作为部分还原剂和氮源的补充,减少还原剂的使用量。二氰二胺升温到熔点后,在熔融状态会释放出大量的热,采用二氰二胺作为还原剂能有效的加快高价钒还原为低价钒,降低钒损失。本实验在分析了 V-C-N-O反应体系的热力学规律的基础上,研究了以多钒酸铵为原料、二氰二胺为还原剂在相对低的温度条件下制备氮化钒的可行性,探究了还原氮化温度、造块压力、还原剂配比等因素对氮化钒生成的影响,阐明了不同实验条件下产物中V、N、C、O元素含量的变化规律。获得了以下结果:(1)多钒酸铵中S、Na杂质脱除实验表明:随水洗温度的升高,多钒酸铵中的钠和硫的含量明显下降。在水洗温度为80℃、固液质量比为1:10,洗涤时间1小时的条件下,经水洗后的多钒酸铵钠含量0.056%、硫含量0.021%,水洗的多钒酸铵原料的质量满足制备氮化钒的要求。(2)随着还原氮化温度的升高,产物的结晶性逐步得到改善,产物中氮化钒的生成量不断提高,碳含量呈现先减小后基本保持不变的趋势。在1000℃下进行还原氮化3小时可以得到结晶状况良好,含氮量19.4%,硫含量0.046%,碳含量2.15%,氧含量2.17%的氮化钒产品。(3)还原剂的加入量对氮化钒的生成过程也有着重要的影响,实验结果表明:当碳氧比为0.8时,钒氧化物无法被完全还原,在产物中存在一定量的三氧化二钒。随着碳氧比增加,氮含量增加,氮化钒的结晶状况改善,产物纯度提高。(4)对反应物料进行造块处理,研究发现造块压力对产物的氮含量有一定的影响,随造块的压力增加,产物的氮含量呈现出先增加后减少的趋势,在造块压力为6.0 MPa时,产物的氮含量最高,达到19.4%;不压块时,产物中的氮含量最低 10.03%。
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