一種六方氮化硼二維超薄納米片及其製備方法與應用的製作方法

2023-10-08 06:14:49 6

專利名稱：一種六方氮化硼二維超薄納米片及其製備方法與應用的製作方法
一種六方氮化硼二維超薄納米片及其製備方法與應用技術領域
本發明屬於納米材料技術領域，涉及一種六方氮化硼二維超薄納米片及其製備方法與應用。
背景技術：
自2004年石墨烯問世以來，無機二維納米材料由於其獨特的物理及化學特性與潛在應用，已成為材料科學研究領域的熱點，參見Adv. Mater. 2012，24，210。六方氮化硼具有耐高溫、高導熱率、耐輻射、耐腐蝕，高溫潤滑及優良的介電、絕緣性能，在各個領域尤其是宇航、國防、電子核工業有較好的應用，引起了人們廣泛的研究興趣。
六方氮化硼納米片具有和石墨烯相似的結構，B原子與N原子由Sp2雜化連接的單原子層構成，其基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，其理論厚度與石墨烯相當， 約為O. 33nm，是目前所發現的最薄的二維材料之一，參見Nanoscale2012，4，6908。其化學穩定性、熱穩定性等性能比石墨烯更優良，因此在製備高導熱陶瓷器件、導熱絕緣聚合物複合材料、耐熱固體潤滑劑和潤滑油脂添加劑等方面具有新穎的應用前景。例如，超薄的氮化硼納米片填充物可以提高聚合物的導熱和機械性能，參見Adv. Mater. 2009，21，2889。矽基片上垂直交聯的氮化硼納米片具有超疏水性，在自清潔塗層領域具有潛在的應用價值，參見 ACS Nano2011, 5，6507。
機械剝離、低能球磨、等離子刻蝕、化學氣相沉積、化學剝離等方法被用來製備單層和多層六方氮化硼納米片超薄材料。但由於製備方法的限制，所得產物的量很少(目前一般<10mg)，難以製得較多的量，這嚴重製約了六方氮化硼納米片的進一步研究與實際應用。 開發六方氮化硼超薄納米片的宏量製備技術，一直是研究人員關注和研製的重點。例如， 中國專利局公布的發明名稱為「一種高比表面積氮化硼超薄納米片的製備方法」(公開號 CN101913576A)的專利技術，披露了一種高比表面積氮化硼超薄納米片的製備方法。採用固相法，以氧化硼為硼源，鹽酸肼、氯化銨或溴化銨為氮源，鋅、鐵或鎳為還原劑，在溫和條件下製備了具有高比表面積的氮化硼超薄納米片。這種方法所得納米片的厚度為2 6nm，其厚度很難控制，其產量較低(〈O. 5g)。中國專利局公布的另一項發明名稱為「六方氮化硼的製備方法及其製得的六方氮化硼多晶粉末」(公開號1955109A)，該專利公開了一種片狀六方氮化硼多晶粉末的製備方法，以硼氫化鈉、硼氫化鉀和氟硼酸鹽為原料或以六硼化鈣、氨基鈉為原料製備六方氮化硼納米粉。這種方法合成的氮化硼粉體具有三角片和六邊形片狀形貌，但所用原料的成本較高，且產量也較低。
目前國內外還沒有採用金屬硼 化物為硼源、銨鹽為氮源在溫和條件下合成六方氮化硼二維超薄納米片的報導。因此，研製開發以較廉價的原料在溫和條件下六方氮化硼二維超薄納米片的宏量製備技術，不僅對推動氮化硼二維超薄納米片的性能研究有重要的理論意義，而且對進一步開發這種新型二維納米材料的應用具有十分重要的現實意義。發明內容
本發明的首要目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種六方氮化硼二維超薄納米片的製備方法。該方法以金屬硼化物為硼源、銨鹽為氮源在溫和溫度下進行原位氮化反應，能夠宏量製備六方氮化硼二維超薄納米片。
本發明的另一目的在於提供通過上述製備方法製備得到的六方氮化硼二維超薄納米片。
本發明的再一目的在於提供上述六方氮化硼二維超薄納米片的應用。
本發明的目的通過下述技術方案實現
一種六方氮化硼二維超薄納米片的製備方法，包括以下步驟
(1)將金屬硼化物粉末與銨鹽粉末混合，研磨均勻，密封於反應釜中，於400 700°C反應6 48小時。
(2)步驟(I)的反應產物經酸洗除去副產物，然後再用水、乙醇洗至中性,離心分離後經真空乾燥，得到六方氮化硼二維超薄納米片。
步驟(I)中所述的金屬硼化物優選為六硼化鈣、六硼化鑭、硼化鎂、硼化鋯、硼化鉻或砸化欽等。
步驟(I)中所述的銨鹽優選為氯化銨、溴化銨或硝酸銨。
步驟(I)中所述的金屬硼化物與銨鹽的摩爾比優選為1:2 12。
優選的，步驟(I)為將六硼化鈣或六硼化鑭粉末與銨鹽粉末按摩爾比1:6 12 混合，研磨均勻，密封於不鏽鋼反應釜中，於500 600°C反應12 48小時。
優選的，步驟(I)為將硼化鎂、硼化鋯、硼化鉻或硼化鈦粉末與銨鹽粉末按摩爾比1:2 4混合，研磨均勻，密封於不鏽鋼反應釜中，於400 600°C反應6 24小時。
步驟(2)中所述的酸洗優選為用1. O 3. Omol/L稀硝酸或稀鹽酸洗3 5遍。
步驟(2)中所述的真空乾燥優選為60 80°C下真空乾燥6 12小時。
一種六方氮化硼二維超薄納米片通過上述製備方法製備得到，其厚度為O. 5 4nm。
上述六方氮化硼二維超薄納米片可應用於散熱材料、聚合物填充材料、催化劑載體等領域。
本發明是在克量級範圍內宏量製備六方氮化硼二維超薄納米片的簡單方法，在不鏽鋼反應釜中溫和溫度條件下經原位氮化反應製備得到O. 5 4nm的六方氮化硼二維超薄納米片。由於六方氮化硼二維超薄納米片具有高的熱穩定性和熱導率，可應用於散熱材料、 聚合物填充材料、催化劑載體等領域。
本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果
(I)本發明採用較廉價的金屬硼化物和銨鹽為原料在溫和溫度下發生原位氮化反應製備了六方氮化硼二維超薄納米片。其反應溫度較現有技術中常用的化學氣相沉積、碳熱等方法要低，產量較現有技術要高得多，可以製備克量級六方氮化硼二維超薄納米片，簡化了實驗步驟，大大降低了產品成本。
(2)對所製備得到的六方氮化硼超薄納米片用X-射線衍射儀進行物相分析，從得到的X-射線衍射圖可知，500°c即可得到純相的六方氮化硼，相對於傳統的化學氣相法，大大降低了合成溫度，節約了能源。
(3)對所製得的六方氮化硼超薄納米片用掃描電鏡和透射電鏡進行形貌分析，從得到的電鏡照片可知該六方氮化硼二維超薄納米片為分散性好、尺寸較均一的二維納米片。
(4)對所製得的六方氮化硼超薄納米片用原子力顯微鏡進行形貌分析，從得到的圖片可知該六方氮化硼二維超薄納米片的厚度為O. 5 4nm，即所得納米片為單層或小於 10層的類石墨烯結構的超薄二維納米材料。
(5)本發明所得的六方氮化硼二維超薄納米片具有高的熱穩定性和熱導率，可應用於散熱材料、聚合物填充材料、催化劑載體等領域。


圖1
圖2
圖3 鏡(b)圖。
圖4
圖5
圖6 電鏡(b)圖。是實施例1製備得到的六方氮化硼二維超薄納米片的X射線衍射譜圖。是實施例1製備得到的六方氮化硼二維超薄納米片的紅外光譜圖。是實施例1製備得到的六方氮化硼二維超薄納米片的掃描電鏡(a)和透射電是實施例1製備得到的六方氮化硼二維超薄納米片的原子力顯微鏡圖。是實施例10製備得到的六方氮化硼二維超薄納米片的X射線衍射譜圖。是實施例10製備得到的六方氮化硼二維超薄納米片的掃描電鏡(a)和透射具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
(I)將20mmol六硼化鈣粉末，120mmol氯化銨粉末混合，用研缽研磨均勻，並密封於50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至600°C，並在 600°C條件下恆溫反應24小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀硝酸(3. Omol/L)洗3遍以除去副產物，然後再水洗、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約2. 75g 六方氮化硼二維超薄納米片。
採用X射線粉末衍射、傅立葉變換紅外光譜、掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡等對所得六方氮化硼二維超薄納米片的物相與微觀結構進行分析。
X射線粉末衍射(XRD)表徵如圖1所示，在26. 25、42. 26和44. 25。三處有明顯的衍射峰，與六方氮化硼的(002)、(100)和(101)晶面的衍射對應(JCPDSNo. 34-0421)。在 XRD圖譜中沒有觀察到其他晶態物質的衍射峰，表明所得產物為純相的六方氮化`硼。
福利葉變換紅外(FTIR)光譜是表徵氮化硼結構信息的一種有效檢測手段。如圖 2所示在1395及799cm—1兩處的強峰可以歸屬為B-N鍵的面內伸縮振動與B-N-B面外彎曲振動。而位於3412和3182cm—1處的吸收峰可以歸屬於H-N-H基團的伸縮振動，這種基團的存在使之可以通過共價鍵合實現材料的功能化修飾或改性。
掃描電鏡和透射電鏡分析結果如圖3所示，表明大量的氮化硼納米片的存在 (>95%)。與其他二維納米材料如石墨烯相似，這些二維超薄納米片會發生彎曲或捲曲。
原子力顯微鏡分析結果如圖4所示，表明所得的六方氮化硼二維超薄納米片的厚度約為O. 4 O. 5nm，為單原子層結構。
實施例2
(I)將20mmol六硼化|丐粉末,240mmol氯化銨粉末混合,用研缽研磨均勻，並密封於50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至500°C，並在 500°C條件下恆溫48小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀硝酸(1. Omol/L)洗3遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約2. 85g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. O 2. 5nm。
實施例3
(I)將20mmol六硼化鈣粉末，120mmol溴化銨粉末混合，用研缽研磨均勻，並密封於50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至600°C，並在 600°C條件下恆溫反應12小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀硝酸(3. Omol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約2. 45g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. O 3. 5nm。
實施例4
(I)將20mmol六硼化|丐粉末，120mmol硝酸銨粉末混合,用研缽小心研磨均勻，並密封於50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至600°C，並在 600°C條件下恆溫反應12小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀鹽酸(2. Omol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約2. 50g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. O 2. 5nm。
實施例5
(I)將IOmmol六硼化鑭粉末,60mmol氯化銨粉末混合,用研缽研磨均勻，並密封於 50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至500°C，並在600°C 條件下恆溫反應48小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀硝酸(3. 0mol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約1. 25g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 2 3. 5nm。
實施例6
(I)將20mmo l六硼化鑭粉末，160mmol氯化銨粉末混合,用研缽研磨均勻，並密封於50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至600°C，並在 600°C條件下恆溫反應12小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀硝酸(2. 0mol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約1. 25g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 2 3. 2nm。
實施例7
(I)將20mmol六硼化鑭粉末,240mmol氯化銨粉末混合,用研缽研磨均勻，並密封於50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至600°C，並在 600°C條件下恆溫反應12小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀硝酸(1. Omol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約1. 25g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. O 3. Onm。
實施例8
(I)將IOmmol六硼化鑭粉末，60mmol溴化銨粉末混合，用研缽研磨均勻，並密封於 50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至600°C，並在600°C 條件下恆溫反應24小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀硝酸(3. Omol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約1. 25g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 2 3. 5nm。
實施例9
(I)將IOmmol六硼化鑭粉末,60mmol硝酸銨粉末混合,用研缽小心研磨均勻，並密封於50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至600°C，並在 600°C條件下恆溫反應24小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀鹽酸(3. 0mol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約1. 25g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 5 4. Onm。
實施例10
(I)將50mmol硼化鎂粉末，IOOmmol氯化銨粉末混合,用研缽研磨均勻，並密封於 50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至500°C，並在500°C 條件下恆溫反應12小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀硝酸(3. 0mol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約2. 05g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為2. 2 4. Onm。
X射線粉末衍射表徵如圖5所示，表明所得產物為純相的六方氮化硼。掃描電鏡 (a)和透射電鏡(b)結果如圖6所示，表明產物由大量的納米片組成，片層厚度約為4. Onm0
實施例11
(I)將50mmol硼化鎂粉末，200mmol氯化銨粉末混合，用研缽研磨均勻，並密封於 50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至400°C，並在400°C 條件下恆溫反應24小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀硝酸(1. 0mol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約2. 15g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 5 3. 5nm。
實施例12
(I)將50mmol硼化鎂粉末，IOOmmol溴化銨粉末混合,用研缽研磨均勻，並密封於 50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫 速率從室溫升至600°C，並在600°C 條件下恆溫反應6小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀鹽酸(3. Omol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在60°C下真空乾燥12小時，得到約2.1g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 5 4. Onm。
實施例13
(I)將40mmol硼化鎂粉末，80mmol硝酸銨粉末混合,用研缽小心研磨均勻，並密封於50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至500°C，並在 500°C條件下恆溫反應12小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀鹽酸(3. Omol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約1. 75g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 5 4. Onm。
實施例14
(I)將50mmol硼化鈦粉末，IOOmmol氯化銨粉末混合,用研缽研磨均勻，並密封於 50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至500°C，並在500°C 條件下恆溫反應12小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀鹽酸(3. 0mol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水洗、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約2. 25g 六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 3 4. Onm。
實施例15
(I)將40mmol硼化鈦粉末，IOOmmol氯化銨粉末混合,用研缽研磨均勻，並密封於 50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至600°C，並在600°C 條件下恆溫反應8小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀鹽酸(2. 0mol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水洗、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約2. 25g 六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 2 4. Onm。
實施例16
(I)將40mmol硼化鈦粉末,80mmol溴化銨粉末混合,用研缽研磨均勻，並密封於 50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至500°C，並在500°C 條件下恆溫反應8小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀鹽酸(3. 0mol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水洗、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約2. 25g 六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 6 4. Onm。
實施例17·
(I)將50mmol硼化鉻粉末，120mmol氯化銨粉末混合,用研缽研磨均勻，並密封於 50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至500°C，並在500°C 條件下恆溫反應12小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀硝酸(3. Omol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水洗、乙醇洗至中性，離心分離後在60°C下真空乾燥12小時，得到約 2. 15g六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 5 4. 5nm。
實施例18
(I)將30mmol硼化錯粉末，60mmol氯化銨粉末混合,用研缽研磨均勻，並密封於 50mL的不鏽鋼反應釜中，在電爐中以10°C /min的升溫速率從室溫升至500°C，並在500°C 條件下恆溫反應12小時。
(2)自然冷卻至室溫，打開反應釜後所得初產物經稀硝酸(3. Omol/L)洗5遍以除去副產物，然後再水洗、乙醇洗至中性，離心分離後在80°C下真空乾燥6小時，得到約1. 25g 六方氮化硼二維超薄納米片，其厚度約為1. 5 4. Onm。
上述實施例為本 發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種六方氮化硼二維超薄納米片的製備方法，其特徵在於包括以下步驟(1)將金屬硼化物粉末與銨鹽粉末混合，研磨均勻，密封於反應釜中，於400 700°C反應6 48小時；(2)步驟(I)的反應產物經酸洗除去副產物，然後再水洗、醇洗至中性，離心分離後經真空乾燥，得到六方氮化硼二維超薄納米片。
2.根據權利要求1所述的六方氮化硼二維超薄納米片的製備方法，其特徵在於步驟 (O中所述的金屬硼化物為六硼化鈣、六硼化鑭、硼化鎂、硼化鋯、硼化鉻或硼化鈦。
3.根據權利要求1所述的六方氮化硼二維超薄納米片的製備方法，其特徵在於步驟(I)中所述的銨鹽為氯化銨、溴化銨或硝酸銨。
4.根據權利要求1所述的六方氮化硼二維超薄納米片的製備方法，其特徵在於步驟 Cl)中所述的金屬硼化物與銨鹽的摩爾比為1:2 12。
5.根據權利要求1所述的六方氮化硼二維超薄納米片的製備方法，其特徵在於步驟(I)為將六硼化鈣或六硼化鑭粉末與銨鹽粉末按摩爾比1:6 12混合，研磨均勻，密封於不鏽鋼反應釜中，於500 600°C反應12 48小時。
6.根據權利要求1所述的六方氮化硼二維超薄納米片的製備方法，其特徵在於步驟(1)為將硼化鎂、硼化鋯、硼化鉻或硼化鈦粉末與銨鹽粉末按摩爾比1:2 4混合，研磨均勻，密封於不鏽鋼反應釜中，於400 600°C反應6 24小時。
7.根據權利要求1所述的六方氮化硼二維超薄納米片的製備方法，其特徵在於步驟(2)中所述的酸洗為用1.O 3. Omol/L稀硝酸或稀鹽酸洗3 5遍。
8.根據權利要求1所述的六方氮化硼二維超薄納米片的製備方法，其特徵在於步驟(2)中所述的真空乾燥為60 80°C下真空乾燥6 12小時。
9.一種六方氮化硼二維超薄納米片，其特徵在於所述的六方氮化硼二維超薄納米片通過權利要求1 8任一項所述的製備方法製備得到。
10.權利要求9所述的六方氮化硼二維超薄納米片在散熱材料、聚合物填充材料和催化劑載體領域中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種六方氮化硼二維超薄納米片及其製備方法與應用，屬於納米材料技術領域。本發明採用金屬硼化物(如硼化鈣、硼化鑭、硼化鎂、硼化鈦等)為硼源、銨鹽(如氯化銨、溴化銨、硝酸銨等)為氮源在溫和的條件下(500～600℃)反應製備得到厚度為0.5～4.0nm的六方氮化硼二維超薄納米片。本發明的於採用較廉價的原料在溫和溫度下實現六方氮化硼二維超薄納米片的宏量製備，節約了能源，簡化了實驗步驟，大大降低了產品成本。由於六方氮化硼二維超薄納米片的高的熱導率、熱穩定性和化學穩定性，可應用於散熱材料、聚合物填充材料和催化劑載體等領域。
文檔編號B82Y30/00GK103043634SQ201310016320
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月16日 優先權日2013年1月16日
發明者鄭明濤, 劉應亮, 雷炳富, 劉曉瑭, 肖勇, 董漢武, 張浩然 申請人:華南農業大學