基于NHSG 技术的还原氮化法合成介孔TiN 纳米粉体及结构性能表征

Mesoporous titanium nitride (TiN) nanopowder has a great potential to act as a durable electrocatalyst support for fuel cells. The synthesis of high activity titanium oxide (TiO2) precursor and its microstructure control are the key scientific and technological problems in the preparation of mesoporous TiN nanopowder. A novel and availably pathway to solve those problems is provided by non-hydrolytic sol-gel (NHSG) process which results in the formation of controllable mesoporous TiO2 precursor with higher surface areas through a simple procedure. Therefore, in this project, mesoporous TiN nanopowder will be synthesised by reduction-nitridation reaction based on nonhydrolytic sol-gel method. The NHSG synthesis and control of mesoporous TiO2 precursor and its reduction-nitridation process will be studied. The electrochemical behavior of mesoporous TiN nanopowder based electrocatalysts under fuel cell conditions will be investigated. In order to obtain the related reduction-nitridation theory, the effect of TiO2 precursor phase and its mesoporous structure on the synthesis of mesoporous TiN nanopowder will be discovered. Meanwhile the relationship of process, structure and properties will aslo be researched.

介孔氮化钛（TiN）纳米粉体作为高效耐用燃料电池电极催化剂载体发展潜力巨大。合成高活性TiO2前驱体及微观结构调控是还原氮化法制备介孔TiN纳米粉体的关键科学技术问题。非水解溶胶-凝胶技术(Nonhydrolytic Sol-Gel process，简称NHSG)易于控制，工艺简单，可获得更高活性介孔可控的TiO2前驱体，有望成为介孔TiN纳米粉体合成与调控的有效途径。本项目提出非水解溶胶-凝胶技术结合还原氮化法合成介孔TiN 纳米粉体的新思路，研究适合还原氮化的介孔TiO2前驱体NHSG合成路线，调控前驱体介孔结构，优化还原氮化技术，探讨介孔TiN 纳米粉体作为燃料电极催化剂载体的应用特性，开发出用于燃料电池电催化剂载体的介孔TiN纳米粉体。揭示TiO2前驱体物相及其介孔结构对TiN合成与微观结构影响，分析制备工艺、结构与性能关系，为介孔TiN纳米粉体合成及介孔结构调控提供理论支持。

氮化钛（TiN）是近年来日益引人注目的一种新型功能材料，因其熔点高、硬度大、耐酸碱腐蚀、导电性和生物相容性良好的优点而具有广泛应用前景，特别是，介孔TiN 纳米粉体作为超级电容器和燃料电池电极催化剂载体应用潜力巨大，日渐受到众多研究者关注。. 合成高活性前驱体以及结构调控是还原氮化法制备介孔TiN 纳米粉体的关键。鉴于非水解溶胶-凝胶技术易于合成出高活性介孔结构可控的TiO2前驱体，本项目提出了非水解溶胶-凝胶技术结合还原氮化法合成介孔TiN 纳米粉体的新思路。. 本项目研究了非水解溶胶-凝胶法合成高活性介孔TiO2前驱体的技术路线，优化了还原氮化合成技术参数，结果发现，以异丙醚或无水乙醇为氧供体，采用非水解溶胶-凝胶法可以合成出高活性介孔TiO2粉体，以其为前驱体，利用氨气还原氮化法可以制备出介孔TiN粉体。探究了还原氮化合成TiN粉体的反应历程，并进行了合成热力学和动力学分析。研究表明，TiN的形成过程主要受氨气及副产物扩散过程控制，从而揭示了比表面积高、具有介孔结构的TiO2粉体原料有助于还原氮化合成TiN粉体的内在原因。通过引入模板剂P123调控了TiN纳米粉体的孔结构，添加结构稳定剂氰胺有效地抑制了还原氮化过程中介孔结构的塌陷，从而制备出具有优异电化学性能的有序介孔TiN纳米粉体。同时，揭示了制备工艺、结构与性能的内在关系。该介孔TiN纳米粉体在超级电容和燃料电池催化剂载体领域具有应用潜力。此外，还运用该合成方法制备出具有拉曼增强效应的TiN薄膜，以及具有优异电化学性能的多孔TiN纤维。本项目为高性能介孔TiN纳米粉体的合成与结构调控提供了新的技术路线和理论支持，具有重要的学术理论和应用价值。