電弧放電製備氮化硼納米管的方法

2023-09-24 04:02:00

專利名稱：電弧放電製備氮化硼納米管的方法
技術領域：
本發明涉及納米材料技術領域中的氮化硼納米管，具體涉及一種電弧放電製備氮化硼(BN)納米管的方法。
背景技術：
氮化硼納米管的禁帶寬度與納米管的直徑、螺旋性以及管壁的層數無關，這比電學性質隨著納米管的直徑、螺旋性和管壁的層數等結構因素變化的碳納米管更具有優勢，並且氮化硼納米管具有更穩定的結構，從而在納米器件上有獨特的應用前景。此外氮化硼納米管比碳納米管有更好的高溫抗氧化性能，是良好的導熱體和絕緣體。
BN納米管最早就是用電弧放電的方法合成的。由於BN本身並不導電，後來的研究就採用了導電的硼化物作為電極，如HfB2，ZrB2等，或是採用預先製備的含有金屬催化劑Co或Ni的低電阻硼電極。反應氣氛一般是N2或加入其它惰性氣體Ar、He等。產物中除了BN納米管，還有包裹了催化劑的BN納米膠囊，納米籠等。採用常規的電弧熔煉設備，在Ar和N2的混合氣氛中電弧熔煉放置在銅坩鍋中的粉末，如MgB2、YB6、NbB2、TiB2、VB2等金屬硼化物，以及Al/B、Ga/B、Pd/B、Ni/B、Ti/B、Cu/B等金屬與硼的混合粉末可以得到BN納米管。但上述方法存在產率低，而且直接用過渡金屬Fe、Co和Ni並不能得到BN納米管。本發明則選用過渡金屬氧化物納米粉末為催化劑在電弧爐中放電製備了BN納米管。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術製備氮化硼納米管產率低的缺點，提供一種利用過渡金屬氧化物納米粉末為催化劑電弧放電製備氮化硼納米管的方法。
本發明的目的通過如下技術方案實現一種電弧放電製備氮化硼納米管的方法，以氮氣和硼粉分別作為氮源和硼源，以金屬氧化物如Fe2O3、NiO、Co3O4的納米粉末作為催化劑，在電弧爐中放電反應製備氮化硼納米管。
為進一步實現本發明的目的，上述製備氮化硼納米管的方法，包括如下步驟(1)將硼粉分別和Fe2O3、NiO、Co3O4納米粉末按5∶1～30∶1的摩爾比混合，所述的混合是在150-250r/min的條件下球磨混合4～8小時；(2)稱取0.2～0.5g步驟(1)的混合粉末放入銅坩鍋中，置於電弧放電爐中；(3)先預抽反應室至2～10Pa，再通入高純N2清洗反應室。其後充入N2和Ar混合氣體(體積比1∶1～5∶1)至0.01～0.08MPa。放電結束後收集陰極產物，用鹽酸除去催化劑後，即可得到不同形貌的氮化硼納米管。
本發明製備的氮化硼納米管，具有多種形貌，包括多壁納米管、竹節納米管、單壁納米管束等。他們在物理性質上有諸多不同，比如結構上竹節狀氮化硼納米管缺陷更多，直徑更粗，容易同其他物質結合製備納米複合材料；而多壁氮化硼納米管結構相對穩定，在納米電子學上用於絕緣保護是一類很好的材料。而單壁納米管具有理論上最好的性能，為納米技術基礎研究提供最佳的研究對象。本發明提供的電弧放電製備氮化硼納米管的方法為未來的實際應用提供了基礎。
本發明的原理(1)通過預先的球磨混合，使硼原料與納米催化劑充分混合。由此催化劑與反應物之間接觸良好，有利於生長高質量的氮化硼納米管。(2)電弧放電可以實現很高的溫度，高溫下激發原料中的B、N及金屬原子與離子。(3)在納米金屬催化劑的作用下B與N結合生長出氮化硼納米管。(4)為了引發電弧，Ar在反應中是必須的。
相對於現有技術，本發明製備的氮化硼納米管在電弧放電產物中含量較高。同時可以得到一些特殊的納米結構如金屬-氮化硼-金屬的三層納米結構等。


附圖1實例1所得氮化硼納米管的透射電子顯微鏡照片(放大6萬倍)。
附圖2實例2所得氮化硼納米管的透射電子顯微鏡照片(放大3萬倍)。
附圖3實例3所得氮化硼納米管的透射電子顯微鏡照片(放大3萬倍)。
附圖4實例2所得Ni-BN-Ni的三層納米結構的透射電鏡顯微照片(放大6萬倍)。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，但本發明要求保護的範圍並不局限於實施例表示的範圍。
實施例1分別稱取1.08gB，3.2g Fe2O3，在氬氣保護下在行星式球磨機上混合，轉速為200r/min，時間6h。稱取0.5g混合粉末放入石英舟中，置於電弧爐的銅坩鍋上。先預抽反應室至10Pa，再通入高純N2氣清洗反應室。其後充入N2和Ar(1∶1)混合氣體至0.04MPa。放電結束後收集陰極產物，用鹽酸除去催化劑後，即可得到如圖1所示氮化硼納米管，可以看到其中部分納米管有很大的扭曲，說明製備的氮化硼納米管結構完整，彎曲強度很大。
實施例2分別稱取1.08gB，2.93g NiO，在氬氣保護下在行星式球磨機上混合，轉速為150r/min，時間8h。稱取0.3g混合粉末放入石英舟中，置於電弧爐的銅坩鍋上。先預抽反應室至6Pa，再通入高純N2氣清洗反應室。其後充入N2和Ar(2∶1)混合氣體至0.03MPa。放電結束後收集陰極產物，用鹽酸除去催化劑後，即可得到如圖2和圖4所示氮化硼納米管，可以看到其中部分納米管有很大的扭曲，說明製備的氮化硼納米管結構完整，彎曲強度很大。
實施例3分別稱取1.08gB，6g Co3O4，在氬氣保護下在行星式球磨機上混合，轉速為250r/min，時間6h。稱取0.5g混合粉末放入石英舟中，置於電弧爐的銅坩鍋上。先預抽反應室至2Pa，再通入高純N2氣清洗反應室。其後充入N2和Ar(3∶1)混合氣體至0.05MPa。放電結束後收集陰極產物，用鹽酸除去催化劑後，即可得到如圖3所示的氮化硼納米管。產物中主要是竹節狀納米管，對比前面的實例，本發明製備的氮化硼納米管形貌可以通過選擇不同的催化劑來加以控制。
權利要求
1.一種電弧放電製備氮化硼納米管的方法，其特徵在於以氮氣和硼粉分別作為氮源和硼源，以過渡金屬氧化物Fe2O3、NiO或Co3O4的納米粉末作為催化劑，在電弧爐中放電反應製備氮化硼納米管。
2.根據權利要求1所述一種電弧放電製備氮化硼納米管的方法，其特徵在於包括如下步驟(1)將硼粉和Fe2O3、NiO或Co3O4納米粉末按5∶1～30∶1的摩爾比混合，所述的混合是在150～250r/min的條件下球磨混合4～8小時；(2)稱取0.2～0.5g步驟(1)的混合粉末放入銅坩鍋中，置於電弧放電爐中；(3)先用泵預抽反應室至2～10Pa，再通入高純N2清洗反應室，其後充入N2和Ar的混合氣體至0.01～0.08MPa；放電結束後收集陰極產物，用鹽酸除去催化劑後，即可得到不同形貌的氮化硼納米管。
3.根據權利要求2所述一種電弧放電製備氮化硼納米管的方法，其特徵在於所述充入的N2和Ar的混合氣體體積比為1∶1～5∶1。
全文摘要
本發明公開一種電弧放電製備氮化硼納米管的方法。該方法以氮氣和硼粉分別作為氮源和硼源，以過渡金屬氧化物Fe
文檔編號B82B3/00GK1970437SQ20061012385
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月29日 優先權日2006年11月29日
發明者張弜 申請人:華南理工大學