一種氮化硼納米片的制備方法
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技術(shù)領(lǐng)域
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[0001] 本發(fā)明公開了一種氮化硼納米片的制備方法，屬于納米陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
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背景技術(shù)
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[0002] 六方氮化硼(h?BN)是優(yōu)良的寬帶隙半導(dǎo)體，具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，其顏色呈象牙白色，故有“白石墨”之稱，具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如高溫穩(wěn)定性、低介電常數(shù)、高機(jī)械強(qiáng)度、高熱導(dǎo)性、高耐腐蝕性和高吸附性等，被廣泛研究并應(yīng)用于陶瓷、電工、儲(chǔ)能、潤滑劑、納米電子器件、催化劑載體、污染物的吸附、儲(chǔ)氫、藥物的釋放和水的凈化等領(lǐng)域。
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[0003] 氮化硼納米片的制備方法有很多：機(jī)械剝離法、通過激光刻蝕開多層氮化硼納米管法、超聲法、固相反應(yīng)合成法、化學(xué)氣相沉積法、離子液熱法和化學(xué)溶劑剝離法。液相剝離法相較于其它方法，反應(yīng)過程溫和且發(fā)展較為成熟，是一種目前通用、簡便而環(huán)保的方法。通過直接液相超聲可以將少量的六方氮化硼粉末在相應(yīng)的有機(jī)溶劑或水中形成單層或少層的h?BNNSs低濃度分散液。由于六方氮化硼納米片等二維材料在溶液中的分散穩(wěn)定性需要表面活性劑來提高，所以近幾年實(shí)驗(yàn)的研究方向逐漸轉(zhuǎn)向?qū)哂袇f(xié)助h?BN液相剝離作用，并增強(qiáng)剝離后納米片穩(wěn)定性的試劑研究。由于水和有機(jī)溶劑相比，具備更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，所以目前的實(shí)驗(yàn)研究主要以水作為溶劑。
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[0004] 化學(xué)剝離法是在溶液體系中通過將反應(yīng)物插入六方氮化硼層間，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，利用生成物的自由運(yùn)動(dòng)克服六方氮化硼層間的范德華力，從而得到少層h?BNNSs?；瘜W(xué)剝離由于制得的產(chǎn)物大多存在于酸或堿性溶液中,需要進(jìn)一步處理使其接近中性,所以存在著不易操作的不足，并且這種方法制備得到單層六方氮化硼納米片產(chǎn)量較少。
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[0005] 球磨法是目前運(yùn)用得較多且較成熟的機(jī)械剝離方法。利用了球與h?BN的相互作用：一方面，在球磨的過程中，硬球與h?BN層狀結(jié)構(gòu)邊緣摩擦碰撞使h?BN片層起皺剝落；另一方面，球磨時(shí)產(chǎn)生的高能量也為h?BN層與層之間的分離提供了能量。球磨時(shí)間越長，剝離效果越好，但隨著球磨時(shí)間增加，產(chǎn)物的缺陷也會(huì)大大增加并且造成一定的環(huán)境污染。
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[0006] CVD法是最有保障和經(jīng)濟(jì)效益最好的方法之一，它具有設(shè)計(jì)和操作簡單、反應(yīng)可控且可以得到高質(zhì)量、性能好的產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著較難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的劣勢。應(yīng)用于制備六方氮化硼納米片時(shí)，CVD法的原料通常采用含硼化合物和含氮化合物作為前驅(qū)體，如B2O3/CH5N3·HCl，H3BO3、B2H6和N2/NH3等，并以惰性氣體為載氣，高溫生成h?BNNSs。其基底一般利用過渡元素或氧化物，如銅，鎳，鉑，鐵，鈷，銥，釕，銠，銀和二氧化硅等。還有利用兩種及以上金屬的組合為基底，如鈷鎳組合和銅鎳組合。以銅為基底優(yōu)化h?BN生長也是目前研究較多的一種手段。想要提升h?BN薄膜的質(zhì)量一般可以從兩方面入手：一是抑制成核量，通過控制CVD參數(shù)和增強(qiáng)其他外部因素，如平滑基體表面、增大Cu晶粒等來實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是當(dāng)晶體尺寸超過毫米范圍就很難實(shí)現(xiàn)；二是將這些獨(dú)立的成核區(qū)域進(jìn)行拼接。
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[0007] 但上述方法具有很多局限性，不利于氮化硼納米片大規(guī)模地制備和應(yīng)用。比如，產(chǎn)率較低、氮化硼納米片尺寸較小、反應(yīng)條件茍刻，以及實(shí)驗(yàn)成本昂貴等。因此，為提高產(chǎn)率及得到更薄的納米片，本發(fā)明以硼源和氮源制得前驅(qū)體，通過高溫反應(yīng)制備了氮化硼納米片。該發(fā)明克服了現(xiàn)有氮化硼制備工藝純度低、產(chǎn)率低、粉末粒度不均、粒徑大等缺陷，作為單批次生產(chǎn)，可提高產(chǎn)量，可有效降低六方氮化硼的生產(chǎn)成本并拓展其在工業(yè)上的應(yīng)用價(jià)值。
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發(fā)明內(nèi)容
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[0008] 本發(fā)明的目的在于提出一種氮化硼納米片的制備方法，該方法利用廉價(jià)的原料先進(jìn)行低溫化學(xué)合成出前驅(qū)體，然后再將前驅(qū)體進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)得到純度較高的納米氮化硼，具體為將一定量的硼源和氮源按照一定比例均勻混合，控制溫度進(jìn)行攪拌并溶于分散溶液中，蒸發(fā)結(jié)晶后得到前驅(qū)體，將前驅(qū)體置于有保護(hù)性氣體的高溫?zé)Y(jié)裝置中進(jìn)行燒結(jié)，控制升溫速度、保溫時(shí)間和燒結(jié)溫度，最終得到納米氮化硼粉末。該發(fā)明克服了現(xiàn)有氮化硼制備工藝純度低、產(chǎn)率低、粉末粒度不均、粒徑大等缺陷，可有效降低氮化硼的生產(chǎn)成本并拓展其在工業(yè)上的應(yīng)用價(jià)值。
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[0009] 本發(fā)明提出的1. 一種氮化硼納米片的制備方法，其特征在于，將硼源和氮源均勻混合，控制溫度進(jìn)行攪拌并溶于分散溶液中，蒸發(fā)結(jié)晶后得到前驅(qū)體，將前驅(qū)體置于有保護(hù)性氣體的高溫?zé)Y(jié)裝置中進(jìn)行燒結(jié)，氣流流速范圍為100?600mL/min，升溫速率范圍為10?35℃/min，升溫至燒結(jié)溫度范圍為900?1350℃，保溫時(shí)間范圍為3?5h，冷卻后得到納米氮化硼粉末，所述保護(hù)性氣體可以是氬氣、氮?dú)狻睔?，也可以是多種保護(hù)性氣體的混合；
優(yōu)選的，所述硼源為硼酸（H3BO3）或氧化硼（B2O3），所述氮源為尿素(CON2H4)或三聚氰胺（C3N6H6），其中，硼原子和尿素摩爾比為1:（5?30），硼原子和三聚氰胺摩爾比為(2?
6)：1。
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[0010] 優(yōu)選的，所述分散溶液為甲醇或乙醇與去離子水混合而成，醇與去離子水體積比為（0.8?2）：1。
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[0011] 優(yōu)選的，，所述蒸發(fā)結(jié)晶采取方法包括：水浴式蒸發(fā)結(jié)晶法、鼓風(fēng)干燥箱蒸發(fā)結(jié)晶法、真空干燥箱蒸發(fā)結(jié)晶法或冷凍干燥式蒸發(fā)結(jié)晶法中的一種。
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[0012] 優(yōu)選的，，所述蒸發(fā)結(jié)晶的方法，在蒸發(fā)結(jié)晶之前將溶液加熱至40?85℃并攪拌使溶質(zhì)完全溶解制備成熱溶液。
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[0013] 優(yōu)選的，，所述蒸發(fā)結(jié)晶法、鼓風(fēng)干燥箱蒸發(fā)結(jié)晶法或真空干燥箱蒸發(fā)結(jié)晶法的加熱保溫溫度為45?90℃。
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[0014] 優(yōu)選的，，所述熱溶液在真空冷凍干燥機(jī)中用液氮迅速凝固，然后在真空下干燥蒸發(fā)。
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[0015] 優(yōu)選的，，其特征在于，所述前驅(qū)體高溫?zé)Y(jié)裝置可以是傳統(tǒng)高溫爐或激光燒結(jié)。
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[0016] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明克服了現(xiàn)有氮化硼制備工藝純度低、產(chǎn)率低、粉末粒度不均、粒徑大等缺陷，作為單批次生產(chǎn)，可提高產(chǎn)量，可有效降低六方氮化硼的生產(chǎn)成本并拓展其在工業(yè)上的應(yīng)用價(jià)值。
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附圖說明
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[0017] 圖1硼酸和尿素為原料，乙醇和去離子水混合溶液為分散液，蒸發(fā)結(jié)晶得到的白色晶狀前驅(qū)體。
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[0018] 圖2硼酸和尿素為原料制備的氮化硼產(chǎn)物。
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[0019] 圖3硼酸和尿素為原料制備氮化硼產(chǎn)物的XRD圖譜。
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具體實(shí)施方式
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[0020] 下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明：實(shí)施例1
將硼酸和尿素(CON2H4)按1：30摩爾比例混合均勻，溶于50℃的分散溶液中（乙醇與去離子水體積比1：1混合而成），攪拌使其完全溶解，此時(shí)水溶液呈透明狀態(tài)。將溶液進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，溫度控制在65℃，得到白色晶狀固體。將白色晶狀固體轉(zhuǎn)移至氧化鋁坩堝，在氬氣保護(hù)性氣氛中高溫?zé)Y(jié)，氣流流速250mL/min，升溫速率30℃/min，升溫至1130℃，保溫時(shí)間4.5h，冷卻后得到氮化硼片。硼酸和尿素為原料，乙醇和去離子水混合為分散液，蒸發(fā)結(jié)晶得到的白色晶狀前驅(qū)體如圖1所示。
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[0021] 實(shí)施例2將硼酸和尿素(CON2H4)按1：30摩爾比例混合均勻，溶于50℃的分散溶液中（乙醇與去離子水體積比1：1混合而成），攪拌使其完全溶解，此時(shí)水溶液呈透明狀態(tài)。將溶液進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，溫度控制在65℃，得到白色晶狀固體。將白色晶狀固體轉(zhuǎn)移至氧化鋁坩堝，在氬氣保護(hù)性氣氛中高溫?zé)Y(jié)，氣流流速250mL/min，升溫速率30℃/min，升溫至1130℃，保溫時(shí)間4.5h，冷卻后得到氮化硼納米片。硼酸和尿素為原料制備的氮化硼產(chǎn)物如圖2所示。
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[0022] 實(shí)施例3將硼酸和尿素(CON2H4)按1：30摩爾比例混合均勻，溶于50℃的分散溶液中（乙醇與去離子水體積比1：1混合而成），攪拌使其完全溶解，此時(shí)水溶液呈透明狀態(tài)。將溶液進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，溫度控制在65℃，得到白色晶狀固體。將白色晶狀固體轉(zhuǎn)移至氧化鋁坩堝，在氬氣保護(hù)性氣氛中高溫?zé)Y(jié)，氣流流速250mL/min，升溫速率30℃/min，升溫至1130℃，保溫時(shí)間4.5h，冷卻后得到氮化硼納米片。硼酸和尿素為原料制備氮化硼產(chǎn)物的XRD圖譜如圖3所示。
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[0023] 實(shí)施例4將硼酸和三聚氰胺(C3N6H6)按3：1摩爾比例混合均勻，溶于50℃的分散溶液中（乙醇與去離子水體積比1：1混合而成），攪拌使其完全溶解，此時(shí)水溶液呈透明狀態(tài)。將溶液進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，溫度控制在75℃，得到白色晶狀固體。將白色晶狀固體轉(zhuǎn)移至氧化鋁坩堝，在氬氣保護(hù)性氣氛中高溫?zé)Y(jié)，氣流流速250mL/min，升溫速率30℃/min，升溫至1220℃，保溫時(shí)間4.5h，冷卻后得到氮化硼納米片。
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[0024] 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。
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