Węglik wanadu
| |||||||||||||||||||
| Ogólne informacje | |||||||||||||||||||
| Wzór sumaryczny |
VC | ||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Masa molowa |
62,95 g/mol | ||||||||||||||||||
| Wygląd |
czarne sześcienne kryształy[1] | ||||||||||||||||||
| Identyfikacja | |||||||||||||||||||
| Numer CAS | |||||||||||||||||||
| PubChem | |||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||
| Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa) | |||||||||||||||||||
Węglik wanadu, VC – nieorganiczny związek chemiczny z grupy węglików, połączenie węgla i wanadu.
Budowa cząsteczki
[edytuj | edytuj kod]Krystalizuje w układzie regularnym (grupa przestrzenna Fm3m)[2]. Kryształy węgliku wanadu są izomorficzne między innymi z kryształami tlenku wanadu(II) i azotku wanadu[3].
Otrzymywanie
[edytuj | edytuj kod]Skala laboratoryjna
[edytuj | edytuj kod]Istnieje wiele metod syntezy węgliku wanadu[4]. Jedna z nich, stosowana w produkcji VC do zastosowań katalitycznych (to znaczy o dużej powierzchni właściwej), polega na redukcji V
2O
5 do V
2O
3 za pomocą gazowego wodoru w temperaturze 430 °C i przereagowaniu powstałego tlenku z metanem przy około 1000 °C[5]:
- V
2O
5 + 2H
2 → V
2O
3 + 2H
2O - V
2O
3 + 5CH
4 → 2VC + 3CO + 10H
2
Skala przemysłowa
[edytuj | edytuj kod]W skali przemysłowej otrzymywany jest między innymi poprzez ogrzewanie węgla z V
2O
5 lub V
2O
3 w temperaturze 1100 °C w atmosferze wodoru[3] lub poprzez bezpośrednią reakcję węgla z wanadem w temperaturze 1100–1500 °C[6].
Właściwości
[edytuj | edytuj kod]Właściwości fizyczne
[edytuj | edytuj kod]Materiał ogniotrwały[1][7], o wysokiej twardości[8] (91 w skali Rockwella A)[9] i niskiej rezystywności[10] (1,5μΩ·m)[9].
Właściwości chemiczne
[edytuj | edytuj kod]Odporny na działanie zimnych kwasów, z wyjątkiem HNO
3; roztwarza się w gorących kwasach utleniających[11]. Utlenia się na wolnym powietrzu przy temperaturze 800 °C[11].
W wysokotemperaturowej reakcji VC z suchym chlorowodorem powstaje metan, wodór, węgiel, VCl2 i VCl3. Dokładny stosunek stężeń produktów zależy od temperatury i momentu przerwania reakcji[12].
Zastosowanie
[edytuj | edytuj kod]Metalurgia
[edytuj | edytuj kod]Jest dodatkiem (0,3–0,5%) do twardych stopów metali, ze względu na jego zdolność ograniczania wzrostu ziaren w procesie rekrystalizacji[3][7][8][11], w szczególności do węgliku spiekanego WC-Co[7][8][11]. Znajduje zastosowanie w powłokach ochronnych wyrobów stalowych (głównie narzędzi tnących), zwiększając twardość i wytrzymałość powierzchni, a także czyniąc je bardziej odpornymi na korozję[7][13][14].
Kataliza
[edytuj | edytuj kod]Węglik wanadu stosuje się również w katalizie[5].
Elektrody pokryte nanocząstkami VC wykazują wysoką wydajność i wytrzymałość w procesie elektrokatalitycznego wydzielania wodoru, zarówno w środowisku kwaśnym, jak i zasadowym[10][15][2]. Wodór jest wysokokalorycznym nośnikiem energii[10], stosowanym w ogniwach paliwowych, między innymi w samochodach i pociągach. Produkcja wodoru z wody za pomocą elektrolizy pozwala na magazynowanie energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych[16][17]. Węglik wanadu może być również stosowany jako materiał elektrodowy w ogniwach paliwowych do redukcji tlenu (ORR, ang. Oxygen reduction reaction)[18].
VC znajduje zastosowanie jako katalizator w reakcjach syntezy alkanów z alkoholi[19], przy rozkładzie amoniaku[20], w ogniwach słonecznych uczulanych barwnikiem oraz innych dziedzinach.[21]
Przypisy
[edytuj | edytuj kod]- ↑ a b c d e William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, 2014, 4-98, ISBN 978-1-4822-0868-9 [dostęp 2024-10-28] (ang.).
- ↑ a b c Jing Wan, Congcong Wang, Qian Tang, Xiao Gu, Mingquan He, First-principles study of vanadium carbides as electrocatalysts for hydrogen and oxygen evolution reactions, „RSC Advances”, 9 (64), 2019, s. 37467–37473, DOI: 10.1039/C9RA06539C, PMID: 35542271, PMCID: PMC9075541 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ a b c Günter Bauer i inni, Vanadium and Vanadium Compounds, [w:] Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley‐VCH, 2017, s. 17, DOI: 10.1002/14356007.a27_367.pub2 (ang.).
- ↑ Zaki I. Zaki, Mohamed H. El-Sadek, Heba H. Ali, Hesham Ahmed, Synthesis of Vanadium Carbide by Mechanical Activation Assisted Carbothermic Reduction, „Materials”, 13 (19), 2020, s. 4408, DOI: 10.3390/ma13194408, PMID: 33023271, PMCID: PMC7579465 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ a b Rajat Kapoor, S.T. Oyama, Synthesis of Vanadium Carbide by Temperature Programmed Reaction, „Journal of Solid State Chemistry”, 120 (2), 1995, s. 320–326, DOI: 10.1006/jssc.1995.1415 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ Mehmet Bugdayci, Levent Once, Murat Alkan, Ahmet Turan, Umay Cinarli, A Comparative Study about Production of Va nadium Carbide via Self Propagating High Temperature Synthesis and Reduction, „Archives of Metallurgy and Materials”, 2024, s. 257–262, DOI: 10.24425/amm.2024.147816 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ a b c d Yu. L. Krutskii, T.S. Gudyma, I.D. Kuchumova, R.R. Khabirov, K.A. Antropova, Carbides of Transition Metals: Properties, Application and Production. Review. Part 1. Titanium and Vanadium Carbides, „Steel in Translation”, 52 (5), 2022, s. 465–478, DOI: 10.3103/S0967091222050059 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ a b c Inorganic Solids, [w:] Karl Heinz Büchel, Hans‐Heinrich Moretto, Peter Woditsch, Industrial Inorganic Chemistry, wyd. 2, Wiley, 24 lutego 2000, s. 325-586 (patrz s. 488), DOI: 10.1002/9783527613328.ch05, ISBN 978-3-527-29849-5 (ang.).
- ↑ a b Vanadium Carbide, VC [online], MatWeb (ang.).
- ↑ a b c Lixia Guo i inni, Self‐Supported Vanadium Carbide by an Electropolymerization‐Assisted Method for Efficient Hydrogen Production, „ChemSusChem”, 13 (14), 2020, s. 3671–3678, DOI: 10.1002/cssc.202000769 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ a b c d Helmut Tulhoff i inni, Carbides, [w:] Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley‐VCH, 2017, s. 18, DOI: 10.1002/14356007.a05_061.pub2 (ang.).
- ↑ S.E. Oldham, P. Fishel, Some reactions of vanadium carbide, „Journal of the American Chemical Society”, 54 (9), 1932, s. 3610–3612, DOI: 10.1021/ja01348a015 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ Xiaoyan Wu, Guangze Li, Yanghui Chen, Geyang Li, Microstructure and mechanical properties of vanadium carbide coatings synthesized by reactive magnetron sputtering, „International Journal of Refractory Metals and Hard Materials”, 27 (3), 2009, s. 611–614, DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2008.09.014 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ A. Borisova i inni, Vanadium carbide coatings: deposition process and properties, [w:] Proceedings of 15th International Plansee Seminar, Vol. 2, Reutte, Austria, 1 lipca 2001, s. 452–468 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ Xinyan Peng, Chao Huang, Biao Zhang, Yunhong Liu, Vanadium carbide nanodots anchored on N. doped carbon nanosheets fabricated by spatially confined synthesis as a high-efficient electrocatalyst for hydrogen evolution reaction, „Journal of Power Sources”, 490, 2021, s. 229551, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.229551 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ Use of hydrogen [online], U.S. Energy Information Administration (EIA) [dostęp 2024-10-29] (ang.).
- ↑ Tadeusz Chmielniak, Sebastian Lepszy, Paweł Mońka, Energetyka wodorowa - podstawowe problemy, „Polityka Energetyczna”, 20 (3), 2017, s. 55–66 [dostęp 2024-11-01].
- ↑ Jiemei Yu, Xueping Gao, Guozhu Chen, Xianxia Yuan, Electrocatalytic performance of commercial vanadium carbide for oxygen reduction reaction, „International Journal of Hydrogen Energy”, 41 (7), 2016, s. 4150–4158, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.01.008 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ Rebecca L. Guenard i inni, Selective surface reactions of single crystal metal carbides: alkene production from short chain alcohols on titanium carbide and vanadium carbide, „Surface Science”, 515 (1), 2002, s. 103–116, DOI: 10.1016/S0039-6028(02)01818-6 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ Jeong-Gil Choi, Ammonia Decomposition over Vanadium Carbide Catalysts, „Journal of Catalysis”, 182 (1), 1999, s. 104–116, DOI: 10.1006/jcat.1998.2346 [dostęp 2024-11-01] (ang.).
- ↑ Jutao Jin, Zhiyang Wei, Xiaochang Qiao, Hongbo Fan, Lifeng Cui, Substrate-mediated growth of vanadium carbide with controllable structure as high performance electrocatalysts for dye-sensitized solar cells, „RSC Advances”, 7 (43), 2017, s. 26710–26716, DOI: 10.1039/C7RA00547D [dostęp 2024-11-01] (ang.).