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一维碳化物纳米材料的制备与性能研究进展

2022-07-18杜军蔡明柱严石静孙庆承尹彩流

粉末冶金材料科学与工程 2022年3期
关键词:纳米线碳化物碳源

杜军,蔡明柱,严石静,孙庆承,尹彩流

一维碳化物纳米材料的制备与性能研究进展

杜军,蔡明柱,严石静,孙庆承,尹彩流

(广西民族大学 材料与环境学院,南宁 530006)

一维碳化物纳米材料具有高强度、高硬度、高化学稳定性、低电阻率及强抗氧化腐蚀性等优点,在超导材料、高温涂层材料、切割工具材料、超强增韧材料等领域得到广泛应用。根据现有一维碳化物纳米材料的研究进展,本文重点综述了该种材料的合成方法、生长机理、微观结构、性能特点等方面的研究进展,并对该领域的发展空间进行了展望,期望为一维碳化物纳米材料的研究、开发与应用提供参考。

一维;纳米材料;碳化物;制备;生长机理;微观结构;性能特点

一维碳化物纳米结构(如碳化物纳米线、纳米棒等),由于尺寸达到纳米尺度,其在光学、电子、机械以及传感设备中备受关注[1−4]。随着碳化物材料研究的持续深入,微米尺度上能实现的一些功能,在纳米尺度上实现也成为一种可能。碳化物材料本身具有诸多特性,如强抗氧化和耐腐蚀能力、超高强度和弹性模量、低热膨胀系数和良好导电能力等,因此一维碳化物纳米材料在电子学、环境、光学、生物医学等领域都拥有广阔应用前景[1−4]。

碳化物按照其键型划分为三种类型,即离子型碳化物[1, 5−8, 10]、共价型碳化物[11−13]和间充型碳化物[14−19]。目前对一维碳化物的研究主要集中在材料种 类[2]、制备方法[2]、材料性能及相关应用上[3−4]。相关应用则主要集中在场发射装置[1]、催化材料[3−4]、超导电材料[5]、储能材料[7]、吸波材料[11, 13]等领域。尽管拓展了一维碳化物纳米材料的种类并在相关应用上进行了探索,但整体而言,一维碳化物纳米材料的研究缺乏系统性总结。本文结合现有一维碳化物的研究现状,较为全面地总结对比了该种材料的合成方法、生长机理、微观结构、性能特点等方面的研究进展,并对该领域的发展空间进行展望,期望为一维碳化物纳米材料的研究、开发与应用提供参考。

1 离子型一维碳化物

1.1 CaC2

乙酰化碳化物存在多态性,高温下晶体结构呈无序状,制备过程中的压力状态被认为是引导乙酰化碳化物结构转变的诱因,相关研究也证实了这一点[20−21]。CHEN等[20]研究表明,5 GPa左右的压力下,Li2C2中的哑铃单元有望聚合成锯齿形的碳原子链。NYLEN等[21]发现单斜CaC2在2 GPa以上的压力下不稳定,四方CaC2可能在10~12 GPa之间发生轻微的结构变化。

1.2 Al4C3

制备过程中的压力对部分乙酰化碳化物最终结构产生影响,相比较而言,Al4C3则更加稳定。作为离子型碳化物的一种,Al4C3属于烯丙胺类化合物,性质稳定,不显示出任何活性功能,长久以来仅被当作结构材料使用,局限了其应用领域,但对其在纳米尺度下的性质和应用研究却从未停止。SUN等[22]通过气−固生长机制(vapor-solid growth mechanism, VS),如图1所示,制备Al2O3薄层包覆的Al4C3纳米线。该种结构的Al4C3纳米线作为电子发射材料,具有良好的发射电流稳定性,波动小于15%。为了更好地拓展Al4C3纳米线的应用领域,SUN等[1]通过气−液−固生长机制(vapor-liquid-solid mechanism, VLS),如图2所示,以高定向热解石墨(highly oriented pyrolytic graphite, HOPG)为衬底,成功合成了Al4C3和Al4O4C纳米线阵列,如图3(a)所示,纳米线大规模阵列化排列,为该类型一维碳化物材料应用于微纳米器件提供数据支撑,具有重要意义。

图1 VS生长机制示意图[22]

图2 VLS生长机制示意图[1]

图3 多种一维碳化物纳米材料形貌图[1, 2, 14, 16, 31, 33, 35, 38]

综上所述,离子型碳化物既可按照金属元素不同也可按照碳键类型不同分类,而对离子型一维碳化物纳米材料的报道较少,后续还需对该种材料的形成机理、结构形貌、性能应用等方面进行深入研究。

2 共价型一维碳化物

共价型碳化物,主要是硅和硼的碳化物,碳原子与硅原子或者硼原子以共价键结合,属于原子晶体,一般不与水或硝酸作用,具有化学稳定[8]、高熔点[9]和高硬度[10]的特点,如碳化硅(SiC)[11−12]、碳化硼(B4C)[13],可用作耐火材料和研磨粉。

2.1 SiC

SiC作为新一代宽禁带半导体材料,具有高强度、高温稳定性和优异的热传导性等特性,可用于功能陶瓷和耐火材料等。一维碳化硅纳米材料在继承SiC性能的同时,因其纳米尺寸及结构特征还拥有高韧性、高弹性模量、耐高温氧化和良好光电特性等性质,在陶瓷复合材料、场效应晶体管材料以及电子和光学纳米器件材料中,有着广泛的应用前景[10−12, 23−31]。目前为止,制备一维碳化硅纳米材料的方法有化学气相沉积法(chemical vapor deposition, CVD)[24−25]、碳纳米管辅助反应法[26]、碳热还原法[27]、聚合物前驱体热解 法[28]和热蒸发法[29]等。所用碳源通常来源于传统化石碳源,大多价格昂贵且无法再生,不利于可持续发展。随着科学研究的逐渐深入,人们逐渐将目光转向自然界,期待从自然界中获取制备材料的灵感。自然界中植物资源丰富,且结构多样、元素富集,是合成碳化物材料的理想绿色碳源。其中,竹子在众多植物材料中有着独特的优势,如品种多、分布广以及生长速度快等特点,是一种环境友好型的可再生资源。同时,竹子为分级多孔结构,具有吸附功能,可作为模板使用。如图3(b)所示,TAO等[2]以竹子为植物模板采用一步碳热还原法成功制备出SiC纳米线材料。该方法制备的SiC纳米线顶端有金属催化剂颗粒,是典型的VLS生长机理。薛涛等[30]选用废弃棉短绒作为碳源兼模板,同样成功合成出纳米SiC纤维。综上,无论是选用竹子或棉纤维,碳源皆来源于自然界,从自然界中获取灵感用于制备该种类型碳化物纳米材料,为其他材料的制备提供了参考。对天然材料进一步研究发现,部分天然材料在提供碳源和结构模板的同时,也能提供合成碳化物所需化学元素,实现元素遗传,这进一步拓展了天然生物材料的使用宽度。如稻壳是一种典型的农业废料,研究发现稻壳本身除含有大量有机物以外,还含少量SiO2和其他无机元素,可用于生产硅基或碳基材料[31]。如图3(c)所示,WENG等[31]以稻壳为植物模板,采用熔融盐辅助电化学方法,一步无模板合成SiC NW/C复合材料。该复合材料的成功制备,说明通过选择合适的天然生物材料,可以实现从天然生物材料中遗传特定元素至所制备材料中。用该种方法合成的SiC NW/C复合材料还具有特殊的多孔结构,提高了复合材料的比表面积,利于离子的传导和运输,显示出优异的吸附性能和催化性能。

2.2 B4C

B4C与SiC类似,同属共价型碳化物,因其特殊结构具备许多优异性能,如高强度、高硬度、高熔点,同时还具有低密度、低膨胀系数、良好的导电性、优越的催化性、强耐化学腐蚀性以及高热中子吸收性 能[2, 13, 32−33],且制备工艺简单,在各个领域得到广泛应用。随着材料领域纳米化和复合化的发展趋势,一维B4C纳米材料也逐渐受到人们的关注。TAO等[2]用竹基碳热法成功制备出B4C纳米线,用天然竹材料为B4C纳米线的制备提供碳源兼模板,并极大地简化了合成步骤。该种方法合成B4C纳米线,符合VLS生长机制,竹子高温热解过程中产生烃类气体,持续提供碳源,合成出的B4C纳米线顶端有明显的催化剂颗粒。对B4C纳米线的研究,不仅体现在合成方法上,相关应用的探究也从未停止。KIRIHARA等[32]通过碳热还原法成功合成了B4C纳米线,进一步研究发现该纳米线在435 K下塞贝克系数(seebeck)最大为350 μV/K,热电转换效率优异,是一种理想的热电材料。LOU等[33]利用碳纳米纤维作为模板兼碳源,通过催化剂辅助法合成了B4C纳米线(见图3(d)),将其用于锂硫电池负极材料,经研究发现该材料在1C下经500次循环,放电容量高达815 mAh/g,容量保持率为80%,每圈容量下降率仅为0.04%,展现出良好的电学特性。

B4C与SiC作为最具代表的共价型一维碳化物,相关研究主要围绕合成方法、生长机理、结构性质以及实际应用,后续还需考虑如何进一步增加该类一维碳化物的种类。

3 间充型一维碳化物

间充型碳化物又称金属型碳化物,如碳化铌(NbC)[14]、碳化钽(TaC)[15]、碳化钛(TiC)[16]、碳化钨(WC)[17]、碳化银(Ag2C2)[18]、碳化铪(HfC)[19]等,此类型碳化物为离子键和共价键。

3.1 NbC

NbC是最重要的过渡金属碳化物之一,因其优异的性能,如高的热稳定性、耐腐蚀、耐磨性、良好的催化性、高导电性和高熔点等,备受关注,广泛应用于电阻炉加热元件及硬质合金中[2−3, 14]。碳热法是制备一维NbC纳米材料的常见方法,受自然界生物多样性的启发,DU等[14]利用天然竹屑为碳源及模板,用生物模板法成功合成了NbC纳米线阵列(见图3(e)),极大地简化了NbC纳米线合成过程并降低经济成本,将生物材料首次应用到制备NbC纳米线过程中,进一步验证了利用天然生物材料制备碳化物纳米线的可行性。作者通过对单根NbC纳米线的力学和电学性能测试发现,其弹性模量平均值为(338±55) GPa,电阻率大约为5.02 mΩ·cm,显示出优异的力学性能和电学性能,为NbC纳米线的应用提供了理论依据。QIU等[3]随后根据NbC纳米线(见图4(a))电学性能优异这一特性,负载Pt纳米粒子作为直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cells, DMFCs)高性能催化剂。如图4(b)所示,与Pt/C催化剂和Pt/竹炭催化剂相比,Pt/NbC NW催化剂具有显著的催化活性。其CV曲线正向峰值电流密度为766.1 mA/mgPt,大大高于Pt/C催化剂(221.7 mA/mgPt)和Pt/竹炭催化剂(53.5 mA/mgPt)。如图4(c),(d)所示,Pt/NbC NW催化剂在循环200次后其峰电位仍保持稳定,峰值电流密度仅损失2.4%,远小于Pt/C催化剂损失的19.4%和Pt/竹炭催化剂损失的12.4%,上述结果表明NbC纳米线在催化领域具有应用价值。

3.2 TiC

TiC作为另一种具有代表性的过渡金属碳化物,拥有许多优异的性质,如高硬度、低密度、高熔点、高弹性模量以及低热膨胀系数等,是电和热的良导体,常用于硬质合金和高温材料中,在催化、电子等领域具有广泛的应用前景[4, 16, 34]。对该种纳米线的报道主要围绕合成方法、生长机理、结构特性以及实际应用等。YUAN等[34]利用氯化物辅助碳热反应合成TiC纳米线,该TiC纳米线具有高的比表面积,吸波性能优异,在11.8 GHz时强吸收,吸收宽度3.0 GHz,最小反射损耗为−51.0 dB。一维TiC除了以纳米线的形式存在,还可以纳米棒的形式存在。TAO等[16]利用棉纤维为碳源兼模板生物模板法成功合成了单晶TiC纳米棒(见图3(f)),该方法具有简单、方便和成本低廉等诸多优势,所制备的TiC纳米棒生长机制为卤化物辅助VLS生长机制,活化能Ea测定为259 kJ/mol,与大多数TiC薄膜的E相似。为进一步研究该种材料的某些特性,为TiC纳米棒的应用提供科学依据。报道[16]还采用原位AFM三点弯曲试验对单根TiC纳米棒的力学性能进行了测定,得其弹性模量平均值为(430±22) GPa,力学性能优异。在该基础上,QIU等[4]采用尿素−乙二醇水热还原法将Pt纳米粒子负载到TiC NWs制得的催化剂Pt/TiC NWs具有良好的电催化活性,经测定其峰电流密度为348.3 mA/mgPt,远高于Pt/C催化剂的峰电流密度(94.1 mA/mgPt)。其抗腐蚀能力也较为突出,经500圈循环后,Pt/TiC NWs催化剂电化学活性比表面积基本维持不变。

3.3 TaC

TaC也属于过渡金属碳化物的一种,继承了过渡金属碳化物的诸多性能,如化学稳定性好、力学性能优异和耐腐蚀性强。同时,具有自身独特的性质,如高硬度、高熔点、高弹性模量、导电性强、高温超导、有良好的催化活性等[2, 15]。目前,多种方法可制备一维TaC纳米材料,但对其性能研究较少。如图4(e),TAO等[15]选用竹纤维作为碳源和模板,一步碳热还原法同样制备出TaC纳米线。此两种合成TaC纳米线的方法,皆从自然界中选材,合成方法简单、成本低廉。研究发现,TaC纳米线符合卤化物辅助VLS生长机理。如图4(f)所示,对单根TaC纳米线力学、电学性能测试后发现,其弹性模量平均值为(375±85) GPa,远高于大多数TaC陶瓷的弹性模量,其电阻率仅为62~ 64 μΩ·cm,导电性能优异。将TaC/C复合材料制备成电极材料,从图4(g)和(h)看出,该复合材料的电极比容量高达(135±5) F/g,且在循环电流密度8 A/g下,容量保持率90%以上,倍率性能优异,该研究为TaC纳米线在高倍率电化学电容器储能中的应用提供了科学依据。

3.4 WC

WC是一种多功能的过渡金属碳化物材料,具有许多优异的性能,如高硬度、高熔点、优良导电性、高催化活性和良好的热稳定性等[35−37]。常用的制备方法有水热法[36]、化学气相沉积法[37],然而WC纳米结构实现高比表面积和形貌可控仍是难题。YAN等[35]通过水热反应,无模板假晶转变合成WC纳米棒(见图3(g)),该纳米棒是由WO3纳米棒逐渐假晶转变而成,是一种典型一维WC纳米材料的生长方式。微结构表征发现该方法所得WC纳米棒具有介孔结构和198 m2/g高比表面积。将其用于催化剂载体时,具有比铂/碳催化剂更高的催化活性,已被广泛用于燃料电池、氢解、氢化反应等领域。LI等[36]同样通过水热法成功制备了WC纳米棒,并发现其在水和有机介质中具有仿酶催化活性,与天然的辣根过氧化物酶相比,该WC纳米棒表现出更优越的催化活性和良好的再利用性,在生物催化、生物传感器和环境监测中有着广阔的应用前景。除了研究一维WC纳米材料的催化性能,对其力学性能也有所研究。SUN等[37]利用CVD法合成了高质量的WC纳米线,用于陶瓷材料,经测定其抗弯强度高达92.6 GPa,力学性能优异。

图4 NbC和TaC纳米线的形貌图和电催化性能图[3, 15]

(a) SEM image of NbC NWs; (b)CVs of the Pt/NbC NWs, Pt/C, and Pt/bamboo charcoal catalysts; (c) Variation of peak potential; (d) Current density on the forward scan with the cycle number.ois the peak current density at the first cycle, andis the peak current density obtained from the subsequent cycles; (e) SEM image of the TaC NW/carbon microfiber hybrid structures; (f) Representative bending F-Z curves for the NW on substrate (forcalibration) and the suspended NW; (g) Galvanostatic charge–discharge curves (current density, 2 A/g); (h) Cyclic voltammograms of the supercapacitor built from TaC/C hybrid structures

3.5 HfC

HfC作为一种过渡金属碳化物,是一种超高温陶瓷材料,具有许多优异的物理和化学性能,如高熔点、高硬度、高温下良好的化学稳定性、低电阻率、好的耐磨性、低的功函数和高温下场发射稳定性等,在超高温抗烧蚀涂层和高性能场发射器中都有着理想的应用前景[38-40]。目前,已有多种制备一维HfC纳米材料的方法,如CVD法[38]和前驱体聚合物热解法[39]等。其中CVD法因设备简单、操作方便和更适合场发射应用等优点而被广泛使用。TIAN等[38]利用CVD法合成了HfC纳米线(见图3(h)),为典型的VLS生长机制。该纳米线组成的场纳米发射器具有极低的开启电场1.5 V/μm,发射稳定性高,具有优异的场发射性能。FU等[39]采用金属有机聚合物前驱体Ni辅助热解方法,在碳纤维(carbon fibers, CFS)上原位生长HfC纳米线以增强CFS的热物理性质。随着HfC纳米线的引入,C/C复合材料的热扩散率和热导率分别提升83.3%和31.3%,热膨胀系数也随之增加,并表现出优异的耐烧蚀性能。YIN等[40]采用催化剂辅助低压化学气相沉积法(low-pressur, LPCVD)在碳纤维表面垂直生长HfC纳米线,用于NiCo2O4纳米片的载体。此复合材料在电流密度为1 A/g时,具有2102 F/g的高比电容、良好的倍率能力(20 A/g时保持85%的电容)和优异的循环稳定性(在10 A/g时循环5 000次后保持98%的电容),显示出优异的电化学性能,被用于超级电容器 材料。

过渡金属一维碳化物作为间充型一维碳化物的主要代表,其研究主要集中在材料种类、合成方法、生长机理、结构特性及相关应用上。合成方法中引入天然生物材料,拓宽了该类材料原料来源。对单根纳米线的力学和电学性能研究,为该种材料的实际应用提供了数据支撑。除上述研究外,为充分实现该种材料的规模化运用,后续还可考虑该类一维碳化物的有序可控规模化合成。

4 总结与展望

关于一维碳化物纳米材料的研究主要有三大方面:第一方面是改进制备方法,在现有制备方法的基础上,增加一些新的概念,如生物质的概念,引进生物材料作为碳源兼模板制备一维碳化物纳米材料;第二方面是增加一维碳化物纳米材料的种类,利用现有合成方法或改进现有合成方法,制备尽可能多种类的一维碳化物纳米材料;第三方面是探究一维碳化物纳米材料的性质和应用,运用现有的测试手段对所制备的一维碳化物纳米材料的微结构和性质进行测试,并据此结果研究将其应用在相关领域的可能性。今后,对一维碳化物纳米材料的研究将向以下几个方面发展:1) 合成方法低成本、环保、高效。2) 材料制备精确调控、有序规模化。3) 材料特性单一到集成。4) 材料应用理论到实际。

[1] SUN Y, CUI H, GONG L, et al. Carbon-in-Al4C3nanowire superstructure for field emitters[J]. ACS Nano, 2011, 5(2): 932− 941.

[2] TAO X Y, LI Y P, DU J, et al. A generic bamboo-based carbothermal method for preparing carbide (SiC, B4C, TiC, TaC, NbC, TiNb1−xC, and TaNb1−xC) nanowires[J]. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(25): 9095−9102.

[3] QIU Z, HUANG H, DU J, et al. NbC nanowire-supported Pt nanoparticles as a high performan cecatalyst for methanol electrooxidation[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2013, 117(27):13770–13775.

[4] QIU Z, HUNG H, DU J, et al. Biotemplated synthesis of bark- structured TiC nanowires as Pt catalyst supports with enhanced electrocatalytic activity and durability for methanol oxidation[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2014, 2(21): 8003−8008.

[5] LI Y L, LUO W, ZENG Z, et al. Pressure-induced superconductivity in CaC2[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013, 110(23): 9289−9294.

[6] TZENG C T, TSUEI K D, LOW S. Experimental electronic structure of Be2C[J]. Physical Review B, 1998, 58(11): 6837− 6843.

[7] FAN Y, DENG C, GAO Y X, et al. Highly reversible lithium storage in Li2C2nanosheets[J]. Carbon, 2021, 177: 357−365.

[8] 李勉, 李友兵, 罗侃, 等. 基于A位元素置换策略合成新型MAX相材料Ti3ZnC2[J]. 无机材料学报, 2019, 34(1): 60−64.

LI Mian, LI Youbing, LUO Kan, et al. Synthesis of novel max phase Ti3ZnC2via a-site-element-substitution approach[J]. Journal of Inorganic Materials, 2019, 34(1): 60−64.

[9] STROBEL T A, KURAKEVYCH O O, KIM D Y, et al. Synthesis of β-Mg2C3: a monoclinic high-pressure polymorph of magnesium sesquicarbide[J]. Inorganic Chemistry, 2014, 53(13): 7020−7027.

[10] LIU Y H, LIU X H, BIAN X F. Grain refinement of Mg-Al alloys with Al4C3-SiC/Al master alloy[J]. Materials Letters, 2004, 58(7/8): 1282−1287.

[11] MA L, HAMIDINEJAD M, LIANGC Y, et al. Enhanced electromagnetic wave absorption performance of polymer/SiC- nanowire/MXene (Ti3C2T) composites[J]. Carbon, 2021, 179(6304): 408−416.

[12] ASTROVA E V, ULIN V P, PARFENEVA A V, et al. Interaction of fluorocarbon with silicon monoxide and processes of SiC nanowire formation[J]. Semiconductors, 2020, 54(8): 900−911.

[13] WU W W, LIU Y, ZHOU Q, et al. Microwave absorbing properties of FeB/B4C nanowire composite[J]. Ceramics International, 2020, 46(3): 4020−4023.

[14] DU J, YANG Y C, FAN Z, et al. Biotemplating fabrication, mechanical and electrical characterizations of NbC nanowire arrays from the bamboo substrate[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2013, 560: 142−146.

[15] TAO X Y, DU J, LI Y P, et al. TaC nanowire/activated carbon microfiber hybrid structures from bamboo fibers[J]. Advanced Energy Materials, 2011, 1(4): 534−539.

[16] TAO X Y, DU J, YANG Y C, et al. TiC nanorods derived from cotton fibers: chloride-assisted VLS growth, structure, and mechanical properties[J]. Crystal Growth and Design, 2011, 11(10): 4422−4426.

[17] WANG S J, CHEN C H, CHANG S C, et al. Growth and characterization of tungsten carbide nanowires by thermal annealing of sputter-deposited WCfilms[J]. Applied Physics Letters, 2004, 85(12): 2358−2360.

[18] CHEN Z Y, DENNIS Y S T, ZHANG L M, et al. Silver thiolate nano-sized molecular clusters and their supramolecular covalent frameworks: an approach toward pre-templated synthesis[J]. Chemistry, 2017, 12(20): 2763−2769.

[19] FU Y Q, ZHANG Y L, ZHANG J, et al. Mechanical properties and ablation resistance of HfC nanowire modified carbon/carbon composites[J]. Ceramics International, 2020, 46(10): 16142− 16150.

[20] CHEN X Q, FU C L, FRANCHINI C. Polymeric forms of carbon in dense lithium carbide[J]. Journal of Physics Condensed Matter an Institute of Physics Journal, 2010, 22(29): 292201.

[21] NYLEN J, KONAR S, LAZOR P, et al. Structural behavior of the acetylide carbides Li2C2and CaC2at high pressure[J]. Journal of Chemical Physics, 2012, 137(22): 224507.

[22] SUN Y, Cui H, WANG C G. Step-edge induced ordered growth: targeting to assemble super long horizontal nanowire alignment in large-scale[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, 15(28): 11808−11813.

[23] ZHANG M, LING H L, ZHANG W G, et al. Preparation, superior field emission properties and first principles calculation of electronic structure of SiC nanowire arrays on Si substrate[J]. Materials Characterization, 2021, 180: 111413.

[24] PANDA S K, SENGUPTA J, JACOB C. Synthesis of beta- SiC/SiO2core-sheath nanowires by CVD technique using Ni as catalyst[J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2010, 10(5): 3046−3052.

[25] 张荣军, 杨延清, 沈文涛. 三级化学气相沉积法制备SiC纤维及拉伸性能测试[J]. 无机材料学报, 2010, 8(25): 840−844.

ZHANG Rongjun, YANG Yanqing, SHEN Wentao. Preparation and tensile test of SiC fiber fabricated by three-stage chemical vapor deposition[J]. Journal of Inorganic Materials, 2010, 8(25): 840−844.

[26] TAGUCHI T, YAMAMOTO S, OHBA H. Synthesis and formation mechanism of novel double-thick-walled silicon carbide nanotubes from multiwalled carbon nanotubes[J]. Applied Surface Science, 2021, 551: 149421.

[27] WEI J, LI X T, WANG Y, et al. Photoluminescence property of inexpensive flexible SiC nanowires membrane by electrospinning and carbothermal reduction[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2020, 103(11): 6187−6197.

[28] GYC A, RYLA B, LYW B, et al. Effect of SiC nanowires on the mechanical properties and thermal conductivity of 3D-SiCf/SiC composites prepared via precursor infiltration pyrolysis[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2021, 41(10): 5026− 5035.

[29] 吴玲玲, 吴仁兵, 杨光义, 等. 硅热蒸发法制备SiC纳米线及其结构表征[J]. 浙江大学学报(工学版), 2008, 42(3): 485−488.

WU Lingling, WU Renbing, YANG Guangyi, et al. Synthesis and characterization of SiC nanowires using silicon evaporation[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2008, 42(3): 485−488.

[30] 薛涛, 孟家光, 金志浩. 废弃棉短绒生物模板制备纳米SiC纤维的研究[J]. 材料导报, 2013, 27(12): 76−81.

XUE Tao, MENG Jiaguang, JIN Zhihao. Study on preparation of Nano-SiC fibers by template method based on waste cotton linter[J]. Materials Reports, 2013, 27(12): 76−81.

[31] WENG W, WANG S B, XIAO W, et al. Direct conversion of rice husks to nanostructured SiC/C for CO2photoreduction[J]. Advanced Materials, 2020, 32(29): 2001560.

[32] KIRIHARA K, MUKAIDA M, SHIMIZU Y. Electrical transport and thermoelectric properties of boron carbide nanowires[J]. Nanotechnology, 2017, 28(14):145404.

[33] LUO L, CHUNG S H, ASL H Y, et al. Long-life lithium-sulfur batteries with a bifunctional cathode substrate configured with boron carbide nanowires[J]. Advanced Materials, 2018, 30(39): 1804149.

[34] YUAN X Y, CHENG L F, KONG L, et al. Preparation of titanium carbide nanowires for application in electromagnetic wave absorption[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 596: 132−139.

[35] YAN Y, ZHANG L, QI X Y, et al. Template-free pseudomorphic synthesis of tungsten carbide nanorods[J]. Small, 2012, 8(21): 3350−3356.

[36] LI Nan, YAN Y, XIA B Y, et al. Novel tungsten carbide nanorods: An intrinsic peroxidase mimetic with high activity and stability in aqueous and organic solvents[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2014, 54: 521−527.

[37] SUN Y, CHEN Y M, CUI H, et al. Ultralargebending strain and fracture-resistance investigation of tungsten carbide nanowires[J]. Small, 2017, 13(29): 1700389.

[38] TIAN S, ZHANG Y L, REN J C, et al. High-aspect-ratio HfC nanobelts accompanied by HfC nanowires: synthesis, characterization and field emission properties[J]. Applied Surface Science, 2017, 402(30): 344−351.

[39] FU Y Q, ZHANG Y L, LI T, et al. Effect of HfC nanowires grown on carbon fibers on the microstructure and thermophysical properties of C/C composites[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2020, 103(2): 1304−1311.

[40] YIN X M, LI H J, FU Y Q, et al. Hierarchical core-shell structure of NiCo2O4nanosheets @ HfC nanowires networks for high performance flexible solid-state hybrid super capacitor[J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 392: 124820.

Research progress on preparation and characterization of one-dimensional carbides nanomaterials

DU Jun, CAI Mingzhu, YAN Shijing, SUN Qingcheng, YIN Cailiu

(School of Materials and Environment, Guangxi Minzu University, Nanning 530006, China)

One-dimensional carbides nanomaterials are widely used as superconducting materials, high temperature coating materials, cutting tool materials, supertoughening materials due to their high strength, high hardness, high chemical stability, low electrical resistivity and high oxidation corrosion resistance. Combined with the existing research progress of one-dimensional carbide nanomaterials, this paper focused on the synthesis method, growth mechanism, microstructure, performance characteristics and other aspects of the materials, and prospected the development space of this field. It is expected to provide reference for the research, development and application of one-dimensional carbide nanomaterials.

one-dimensional; nanomaterials; carbides; preparation; growth mechanism; microstructure; performance characteristics

10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021112

TQ127.12

A

1673-0224(2022)03-237-09

国家自然科学基金资助项目(51903061);广西自然科学基金资助项目(2019GXNSFAA185052)

2022−01−02;

2022−04−02

杜军,讲师,博士。电话:18971976263;E-mail: love.dujianjun@163.com

(编辑 陈洁)

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