碳化钒 | 12070-10-9

• 物质功能分类: 无机化工 - 无机盐 - 碳化物及碳酸盐
• 分子结构分类: 有机化合物 - 碳氢化合物衍生物
• 中文名称: 碳化钒
• 英文名称: vanadium monocarbide
• 英文别名: vanadium carbide；Vanadium carbide (VC)；methane;vanadium
• CAS: 12070-10-9
• 化学式: CV
• 分子量: 62.9525
• InChiKey: GORXZVFEOLUTMI-UHFFFAOYSA-N

物化性质

• 熔点：
  2810°C
• 沸点：
  3900℃ [KIR83]
• 密度：
  5.77 g/mL at 25 °C(lit.)
• 溶解度：
  不溶于水
• 暴露限值：
  NIOSH: TWA 1 mg/m3; STEL 3 mg/m3; Ceiling 0.05 mg/m3
• 物理描述：
  PelletsLargeCrystals
• 稳定性/保质期：
  在常温常压下稳定，避免与氧化物接触。其微维氏硬度（负荷50g）为2944 kg/mm²，具有较高的熔点（2830℃）。

计算性质

• 辛醇/水分配系数(LogP)：
  0.63
• 重原子数：
  2
• 可旋转键数：
  0
• 环数：
  0.0
• sp3杂化的碳原子比例：
  1.0
• 拓扑面积：
  0
• 氢给体数：
  0
• 氢受体数：
  0

ADMET

代谢

钒主要通过吸入被吸收，尽管少量可以通过皮肤和消化道吸收。它在血浆中迅速分布，主要分布到肾脏、肝脏、肺、心脏、骨骼等部位，并倾向于在这些部位积累。在细胞色素P-450酶的帮助下，钒可以在其两种氧化态之间相互转化，即钒(IV)（V+4）和钒酸根（V+5）。钒的这两种状态都可以可逆地与血液中的转铁蛋白结合，然后被红细胞摄取。钒主要通过尿液排出体外。(L837)

Vanadium is absorbed mainly via inhalation, though small amounts can be absorbed through the skin and gastrointestional tract. It is rapidly distributed in the plasma, mainly to the kidney, liver, lungs, heart, bone, where it tends to accumulate. With the help of cytochrome P-450 enzymes, it can interconvert between its two oxidation states, vanadyl (V+4) and vanadate (V+5). Both states of vanadium can reversibly bind to transferrin protein in the blood and then be taken up into erythrocytes. Vanadium is excreted mainly in the urine. (L837)

来源:Toxin and Toxin Target Database (T3DB)

毒理性

• 毒性总结

钒通过降低巨噬细胞膜的完整性来损害肺泡巨噬细胞，从而影响细胞的吞噬能力和生存能力。钒的五价形式，钒酸盐，是细胞膜上Ca2+-ATP酶和Na+,K+-ATP酶的强效抑制剂，这会降低细胞内ATP的浓度。还认为钒能诱导活性氧种类的产生。这可能损害DNA并导致氧化应激，从而损害生殖系统。钒还能抑制蛋白质酪氨酸磷酸酶，产生类似胰岛素的效果。

Vanadium damages alveolar macrophages by decreasing the macrophage membrane integrity, thus impairing the cells' phagocytotic ability and viability. The pentavalent form of vanadium, vanadate, is a potent inhibitor of the Ca+-ATPase and Na+,K+-ATPase of plasma membranes, which decreases intracellular ATP concentration. Vanadium is also believed to induce the production of reactive oxygen species. This may damage DNA and also cause oxidative stress, which can damage the reproductive system. Vanadium also inhibits protein tyrosine phosphatases, producing insulin-like effects. (L837, A247, A248, A249, A250, A251)

来源:Toxin and Toxin Target Database (T3DB)

毒理性

• 致癌物分类

对人类不具有致癌性（未被国际癌症研究机构IARC列名）。

No indication of carcinogenicity to humans (not listed by IARC).

来源:Toxin and Toxin Target Database (T3DB)

毒理性

• 健康影响

吸入高浓度的钒会影响肺部、喉咙和眼睛。摄入钒可能会导致肾脏和肝脏损伤、出生缺陷或死亡。

Breathing high levels of vanadium affects the lungs, throat, and eyes. Ingestion of vanadium may cause kidney and liver damage, birth defects, or death. (L837)

来源:Toxin and Toxin Target Database (T3DB)

毒理性

• 暴露途径

口服（L837）；吸入（L837）；皮肤给药（L837）

Oral (L837) ; inhalation (L837) ; dermal (L837)

来源:Toxin and Toxin Target Database (T3DB)

毒理性

• 症状

吸入钒会导致肺部刺激、咳嗽、喘息、胸痛、流鼻涕和喉咙痛。

Inhalation of vanadium causes lung irritation, coughing, wheezing, chest pain, runny nose, and a sore throat. (L837)

来源:Toxin and Toxin Target Database (T3DB)

安全信息

• TSCA：
  Yes
• 危险等级：
  4.1
• 危险品标志：
  Xn
• 安全说明：
  S36
• 危险类别码：
  R20/21/22
• WGK Germany：
  3
• 危险品运输编号：
  UN 3178
• 储存条件：
  常温密闭保存，阴凉通风干燥。

制备方法与用途

应用

碳化钒具有较高的硬度、熔点和高温强度，属于过渡族金属碳化物的一般特性，并且表现出良好的导电性和导热性。因此，在钢铁冶金、硬质合金、电子产品、催化剂及高温涂层材料等领域有广泛应用。在钢中添加碳化钒能够显著提高耐磨性、耐蚀性、韧性、强度、延展性和硬度，还可以增强抗热疲劳性能。此外，由于其较高的活性和稳定性，特别是在烃类反应中的抗“催化剂中毒”能力，碳化钒作为新型催化剂也被广泛应用于催化领域。另外，通过使用碳化钒还能合成金刚石。

概述

碳化钒是一种黑色立方晶体，含碳19.08%，属于氯化钠型立方晶系。它不溶于水、硫酸和盐酸，但能溶解在硝酸中，并且也能溶于熔融的硝酸钾中。碳化钒具有优异的物理和化学性能，如高熔点和良好的导电性及耐化学腐蚀性能等。作为硬质合金和钛基金属陶瓷中的重要添加剂（添加质量分数小于1%），它能够抑制碳化物颗粒溶解再析出过程中的晶粒长大，并提高钢的耐磨性、耐蚀性、韧性、强度、延展性和硬度，增强抗疲劳性能。此外，它还能起到消除夹杂物的作用并用作提取金属纯钒的原料。

理化性质

• 结构：黑色立方晶体
• 含碳量：19.08%
• 熔点：2810°C
• 沸点：3900°C
• 相对密度：5.77
• 溶解性：溶于硝酸，不溶于冷水、盐酸和硫酸

制备方法 方法一：炭黑还原法

以五氧化二钒为原料，用炭黑作为还原剂制取。反应方程式如下： [ V_2O_5 + 7C = 2VC + 5CO \uparrow ] 实际反应步骤如下：

1. ( V_2O_5 + C = 2VO_2 + CO \uparrow )
2. ( 2VO_2 + C = V_2O_3 + CO \uparrow )
3. ( V_2O_3 + C = 2VO + CO \uparrow )
4. ( VO + C = V + CO \uparrow )
5. ( V + C = VC )

方法二：碳热还原法

以偏钒酸铵、石墨和钛粉为原料，将偏钒酸铵与钛粉按物质的量比1∶1混匀后压制，并在真空烧结炉中进行还原碳化。

方法三：真空碳热还原法

使用V2O3作为原料，采用碳热还原法制备。反应方程式如下： [ V_2O_3(s) + 5C(s) = V_2C + 5CO \uparrow ]

具体步骤包括将多聚钒酸铵在干燥箱中恒温4~8小时后与磨好的炭粉一起加入到锥形棒磨机中混合15~20分钟，再加入糊精溶液搅拌均匀，在自制压块机制型后，在105℃下恒温干燥4~8小时。将干燥后的块料装入自制竖炉内升温至1200~1550°C，并通入氢气保护（流量为0.5 ~5L/min），自然冷却后得到碳化钒产品。

方法四：氮气保护还原法

在常压下，使用炭粉作为还原剂，在氮气保护下制备碳化钒。具体步骤包括在干燥箱中恒温4~8小时将多聚钒酸铵与磨好的炭粉混匀，再加入糊精溶液搅拌均匀，在自制压块机制型后干燥4~8小时待用。将干燥后的块料装入竖炉内升温至1200~1550°C，并通入氢气保护（流量为0.5 ~5L/min），自然冷却后得到碳化钒产品。

应用

• 用于冶炼高强度低合金钢和管道钢
• 硬质合金及金属陶瓷的生产
• 提取金属纯钒的原料

反应信息

• 作为反应物：
  描述：

  碳化钒 以 neat (no solvent) 为溶剂， 生成 vanadium carbide
  参考文献：
  名称：

  Annealing-induced ordering of bulk nonstoichiometric vanadium carbide

  摘要：

  The ordering of bulk nonstoichiometric vanadium carbide is studied by optical microscopy and x-ray diffraction. The results indicate that the formation of V6C5 and V8C7 superstructures in vanadium carbide is accompanied by the breakdown of the grains of the parent, disordered cubic phase into nanodomains of the ordered phase. The nanodomains are formed on the surface of the grains of the disordered phase. The domain size depends on the heat treatment conditions under which ordered phases are produced in vanadium carbide.

  DOI：

  10.1134/s0020168506010043
• 作为产物：
  描述：

  钒 在 carbon black 作用下， 以 苯 为溶剂， 生成 碳化钒
  参考文献：
  名称：

  Gmelin Handbuch der Anorganischen Chemie, Gmelin Handbook: V: MVol.B1, 126, page 330 - 332

  摘要：

  DOI：
• 作为试剂：
  描述：

  1,2-transcyclohexanediol 在 碳化钒 、 氧气 作用下， 以 水 为溶剂， 80.0 ℃ 、300.01 kPa 条件下， 反应 4.0h， 生成 己二酸
  参考文献：
  名称：

  使用铂和钒催化剂从环己二醇中形成己二酸：阐明均相钒物种的作用

  摘要：

  钒化合物与Pt / C一起显示出将环己二醇氧化为己二酸的巨大潜力。但是，考虑到活性物质的均质或异质性质，这些材料的低稳定性通常会导致模棱两可。在本文中，我们描述了通过利用钒青铜结构合成稳定的钒催化剂的尝试。通过向这些结构中添加钠，铜或银，AgVO 3的浸出率可降低至5％，而V 2 O 5则为88.4％。这些反应在3 bar O 2的水性条件下进行。然而，尽管钒在青铜结构中具有显着的稳定性，但我们发现，反应溶液中低至7.6 ppm的均相钒物种会导致2-羟基环己酮选择性氧化为己二酸。通过51 V NMR和UV-vis对形态的分析显示，活性物质以十钒酸盐化合物的形式处于+5氧化态，并且存在少量的单钒酸盐。

  DOI：

  10.1039/d0cy00914h

文献信息

• The ternary systems: CrAlC, VAlC, and TiAlC and the behavior of H-phases (M2AlC)
  作者：J.C. Schuster、H. Nowotny、C. Vaccaro

  DOI：10.1016/0022-4596(80)90569-1

  日期：1980.4

  Phase relationships in the ternary systems CrAlC, VAlC, and TiAlC have been investigated. All previously reported ternary H-phaseMe2AlC(Me =Cr, V, Ti) and the perovskite phase Ti3AlC are confirmed. No new ternary phase was found. At 1000°C Ti2AlC and Ti3AlC are coexistent. In addition, the H-phase was found in equilibrium with TiC1−x, TiAl3, and TiAl; the perovskite with TiC1−x, Ti3Al, and Ti (solid

  已经研究了三元体系CrAlC，VAlC和TiAlC中的相位关系。证实了所有先前报道的三元H相Me 2 AlC（Me = Cr，V，Ti）和钙钛矿相Ti 3 AlC。找不到新的三元相。在1000℃下，Ti 2 AlC和Ti 3 AlC共存。另外，发现H相与TiC 1- x，TiAl 3和TiAl处于平衡状态。具有TiC 1- x，Ti 3 Al和Ti的钙钛矿（固溶有Al）。TiC 1- x与Al（l）在高于800°C的温度下共存。V 2 AlC与Al在1000°C共存4 Ç 3，铝（1），铝3 V，V' 7的Al 8，V（用Al固溶体），V 2 C，ζ-VC 1- X，和VC 1- X（包括V 8 C ^ 7）。在1000℃下的Cr 2 ALC是在用Al平衡4 Ç 3，γ-铬5的Al 8，铬（用Al固溶体），CR 7 Ç 3和Cr 3 C ^ 2。在800℃下的Cr 2 ALC共存也与石墨和β铬2的Al。V
• A Chemical Co-Reduction Route to Synthesize Nanocrystalline Vanadium Carbide
  作者：Cun Li、Xiaogang Yang、Baojun Yang、Yitai Qian

  DOI：10.1111/j.1551-2916.2005.00655.x

  日期：2006.1

  Nanocrystalline vanadium carbide (VC) was synthesized via a chemical co‐reduction process, in which VCl4 and CCl4 were used as the vanadium source and the carbon source, respectively, and metallic Na as a reductant in an autoclave at 500°C for 12 h. X‐ray powder diffraction indicated that the product was an NaCl type of VC with a cell constant a=4.171 Å. A transmission electron microscopy image showed the VC particles were 10–40 nm in size. X‐ray photoelectron spectrum and Raman spectrum showed the surface covered with oxide and graphite. The formation of nanocrystalline VC was discussed based on thermodynamics.

  纳米晶态钒碳化物(VC)通过化学协同还原过程合成，其中VCl₄和CCl₄分别用作钒源和碳源，金属Na作为还原剂，在500°C的釜式反应器中反应12小时。X射线粉末衍射表明产物为NaCl类型的VC，晶格常数a=4.171 Å。透射电子显微镜图像显示VC颗粒尺寸为10–40 nm。X射线光电子能谱和拉曼光谱表明表面覆盖有氧化物和石墨。基于热力学讨论了纳米晶态VC的形成。
• Edge Capping of 2D‐MXene Sheets with Polyanionic Salts To Mitigate Oxidation in Aqueous Colloidal Suspensions
  作者：Varun Natu、James L. Hart、Maxim Sokol、Helen Chiang、Mitra L. Taheri、Michel W. Barsoum

  DOI：10.1002/anie.201906138

  日期：2019.9.2

  catalysis, EMI shielding, among many others. However, MXene oxidation in aqueous colloidal suspensions when stored in water at ambient conditions remains a challenge. It is now shown that by simply capping the edges of individual MXene flakes, Ti3 C2 Tz and V2 CTz , by polyanions such as polyphosphates, polysilicates or polyborates, it is possible to quite significantly reduce their propensity for oxidation

  MXene在许多应用中都显示出了希望，例如能量存储，催化，EMI屏蔽等。然而，当在环境条件下储存在水中时，水性胶体悬浮液中的MXene氧化仍然是一个挑战。现在表明，通过用聚阴离子（例如聚磷酸盐，聚硅酸盐或聚硼酸盐）简单地封盖单个MXene片的边缘（Ti3 C2 Tz和V2 CTz），即使将其保持在充气水中也可以显着降低其氧化倾向。周。这一突破是由于认识到MXene板的边缘带正电。因此，这是选择性地功能化不同于MXene板材表面的边缘的示例。
• Element Replacement Approach by Reaction with Lewis Acidic Molten Salts to Synthesize Nanolaminated MAX Phases and MXenes
  作者：Mian Li、Jun Lu、Kan Luo、Youbing Li、Keke Chang、Ke Chen、Jie Zhou、Johanna Rosen、Lars Hultman、Per Eklund、Per O. Å. Persson、Shiyu Du、Zhifang Chai、Zhengren Huang、Qing Huang

  DOI：10.1021/jacs.9b00574

  日期：2019.3.20

  traditional MAX phases by late transition-metal halides opens the door to explore MAX phases that are not thermodynamically stable at high temperature and would be difficult to synthesize through the commonly employed powder metallurgy approach. In addition, this is the first time that exclusively Cl-terminated MXenes were obtained, and the etching effect of Lewis acid in molten salts provides a green and

  纳米层压材料非常重要，因为它们具有卓越的特性和广泛的应用。在这里，我们展示了合成一系列基于锌的 MAX 相和源自 MAX 相和晚期过渡金属卤化物之间的置换反应的 Cl 封端的 MXene 的通用方法。该方法是一种自上而下的路线，使晚期过渡元素原子（在本例中为 Zn）能够占据预先存在的 MAX 相结构中的 A 位点。利用熔融 ZnCl2 中的 Zn 元素与 MAX 相前体（Ti3AlC2、Ti2AlC、Ti2AlN 和 V2AlC）中的 Al 元素之间的这种置换反应，合成了新型 MAX 相 Ti3ZnC2、Ti2ZnC、Ti2ZnN 和 V2ZnC。当使用过量的 ZnCl2 时，由于熔融 ZnCl2 的强路易斯酸性，通过随后的 Ti3ZnC2 和 Ti2ZnC 剥离得到 Cl 端基的 MXenes（如 Ti3C2Cl2 和 Ti2CCl2）。这些结果表明，用晚期过渡金属卤化物替代传统 MAX
• Syntheses of metal nitrides, metal carbides and rare-earth metal dioxymonocarbodiimides from metal oxides and dicyandiamide
  作者：M. Lei、H.Z. Zhao、H. Yang、B. Song、L.Z. Cao、P.G. Li、W.H. Tang

  DOI：10.1016/j.jallcom.2007.05.076

  日期：2008.7

  organic reagent dicyandiamide and metal oxides as precursors to prepare metal nitrides, carbides and rare-earth metal dioxymonocarbodiimides in sealed ampoules. Some fine divided nitride and carbide nanoparticles with small and uniform size can be easily obtained at the relatively low temperatures. It is interesting to find that dicyandiamide is not only a highly efficient nitridation reagent but also

  我们通过选择有机试剂双氰胺和金属氧化物作为前驱体，在密封安瓿中制备金属氮化物、碳化物和稀土金属二氧单碳二亚胺，设计了一种简便高效的固态反应方法。在相对较低的温度下，可以很容易地获得一些细小且均匀尺寸的氮化物和碳化物纳米粒子。有趣的是发现双氰胺不仅是一种高效的氮化试剂，也是一种高效的渗碳试剂，可以作为直接合成稀土金属二氧单碳二亚胺的前驱体。提出了一种可能的机制来解释有机试剂与金属氧化物之间的反应结果。