一種利用熔融鹼製備二維六方氮化硼納米片的方法

2023-05-31 09:38:41

專利名稱：一種利用熔融鹼製備二維六方氮化硼納米片的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用熔融鹼剝離氮化硼粉體製備氮化硼納米片的方法，屬於晶體材料技術領域。
背景技術：
隨著石墨烯研究的興起，二維材料(材料的厚度在Inm到IOOnm之間)以其特有的性質越來越受到人們的重視。在這些二維材料中，六方氮化硼(h-BN)因在結構上和石墨最為接近，引起了很多科研小組的關注和興趣二維六方氮化硼會不會像石墨烯那樣具有很多特殊的性質？迄今為止，國際上很多研究小組相繼報導了二維h-BN的許多優異性質。但是，與石墨不同的是，由於h-BN的層與層之間具有較強的離子鍵作用，使得剝離氮化硼的難度比剝離石墨的難度要大很多。這也是很多用於製備石墨烯的方法在製備六方氮化硼納米片時收效甚微的原因之一。
從目前的研究成果可以看出，二維h-BN具有很多其他維度結構的氮化硼(如氮化硼納米管，納米線)所不能比擬的優點，例如C. R. Dean等人報導用幾十納米厚度的h_BN作襯底的石墨烯器件性能更好；L. A. Ponomarenko等人用h_BN納米片和石墨烯製作的夾心結構可以實現石墨烯從金屬到絕緣體的轉變(見參考文獻Dean, C. R. et al. Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics. Nature Nanotech· 5，722—726，2 010;Ponomarenko, L. A. etal. Tunable metal-insulator transition in double-layer graphene heterostructures. Nature Phys.7，958—961，2011 ；GolbergjD. etal. Boron nitride nanotubes and nanosheets. ACS Nano. 4, 2979-2993, 2010; Coleman, J. , N. etal. Two-dimensional nanosheets produced by liquid exfoliation of layered materials. Science331，568 - 571，2011; Perimj E. &Galvao, D. S. The structure and dynamics of boron nitride nanoscrolls. Nanotechnology20, 335702，2009;Y. LinjJ. W. Connell,Nano scale. 4，6908，2012)。到目前為止，製備h_BN納米片的方法有微機械剝離法(D. Pacile, J. C. Meyer, C. 0. Girit1A. Zettl, Appl. Phys. Lett. 2008，92，133107),液相剝離法(C. Zhi, Y. Bando, C. Tang, H. Kuwahara, D. Golberg, Adv. Mater. 2009, 21, 2889 ;Κ· Zhou, N. Mao, Η. Wang, Y. Peng, H. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, I.),氣相沉積法(L. Song, L. Ci, H. Lu, P. B. Sorokin, C. Jin, J. Ni, A. G. Kvashnin, D. G. Kvashnin, J. Lou, B. I. Yakobson, P. M. Aj ay an, Nano Lett. 2010, 10，3209)，這些方法基本上都是借鑑石墨烯的製備方法。
由於迄今為止六方氮化硼單晶依然沒有商品化，所以微機械剝離法製備氮化硼納米片就受到了限制；此外，該方法產率非常低。液相剝離法需要選擇合適的溶劑，而這些溶劑往往價格昂貴，沸點高，此外實驗時需要特殊的處理。氣相沉積法製備h-BN納米片往往需要溫度很高，通常是1000°C，而且原料有毒，實驗過程難以控制。發明內容
針對現有製備六方氮化硼(h-BN)納米片製備技術存在的不足，本發明提出一種操作簡單、成本低的利用熔融鹼製備二維六方氮化硼納米片的方法。
本發明利用熔融鹼製備二維六方氮化硼納米片的方法，包括以下步驟
(I)將鹼(如氫氧化鋰、氫氧化鈉、氫氧化鉀等)和六方氮化硼(h-BN)按摩爾比 1:1-100:1的比例混合併研磨均勻，並轉移到反應釜中；
(2)將反應釜置於加熱爐中進行加熱反應，加熱溫度為鹼的熔點溫度至熔點以上 50°C之間，使鹼熔融，反應時間為1-24個小時，取出反應釜，冷卻至室溫；
(3)將反應釜中的反應產物水洗至pH值6-8，再溶於溶劑中分離，即可得到氮化硼納米片。
所述鹼是一種鹼，或者是兩種鹼任意比例的混合物。採用兩種鹼的混合物時，步驟(2)中所述鹼的熔點為兩種鹼的共熔點，需要根據兩種鹼的比例確定。
所述溶劑為甲苯、乙醇、甲醇、異丙醇、水或其它能夠使氮化硼納米片分離的溶劑。
本發明將鹼與六方氮化硼一起加熱反應，利用熔融後的鹼來剝離氮化硼，以此製備出氮化硼納米片，操作簡單，成本低，不需要複雜昂貴的儀器設備，所用鹼原料廉價易得， 對環境毒性小，並且反應所需溫度較低，


圖I是本發明製備的氮化硼納米片分別溶於甲苯、乙醇、異丙醇和水中(由左至右) 在雷射照射下產生的丁達爾現象的照片。
圖2是本發明製備的氮化硼納米片的掃描電鏡照片。
圖3是本發明製備的氮化硼納米片的透射電鏡照片(IOOnm是長度標尺)。
圖4給出了本發明製備的氮化硼納米片的原子力顯微鏡照片及納米片的厚度大小。左邊圖為納米片的形貌圖，右邊圖為納米片不同位置的厚度尺寸。
具體實施方式
實施例I
(I)稱量氫氧化鈉2. 060g、氫氧化鉀2. 716g和h-BN (六方氮化硼)0. 2482g (氫氧化鈉和氫氧化鉀的摩爾比為51. 5 48. 5，兩種鹼的混合物與h-BN的摩爾比為10:1)，混合後置於玻璃材質的研缽中，研磨10分鐘(對研磨細度沒有要求，研磨的目的是為了混合均勻)， 轉移到聚四氟乙烯內襯的不鏽鋼反應釜中。
(2)將反應釜置於180°C加熱爐中反應2個小時，取出反應釜，冷卻至室溫。氫氧化鈉和氫氧化鉀按摩爾比51. 5 48. 5混合後的共熔點的溫度是165°C，反應溫度可設置在 180。。。
(3)將反應釜中的反應產物溶於300ml去離子水，通過布氏漏鬥過濾，清洗至濾液 pH值6-8。再溶於甲苯、乙醇、異丙醇或水中，靜置分離或離心分離，即可得到氮化硼納米片。
圖I是本發明製備的氮化硼納米片分別溶於甲苯、乙醇、異丙醇和水中(由左至右) 在雷射照射下產生的丁達爾現象的照片。
圖2給出了本實施例製備的氮化硼納米片的掃描電鏡照片。
圖3給出了本實施例製備的氮化硼納米片的透射電鏡照片。
圖4給出了本實施例製備的氮化硼納米片的原子力顯微鏡照片及納米片的厚度大小。
實施例2
如實施例I所述，不同之處在於步驟(I)中稱量氫氧化鈉4. 120g、氫氧化鉀 5.432g和h-BN (六方氮化硼)O. 2482g (氫氧化鈉和氫氧化鉀的摩爾比為51. 5 :48. 5,兩種鹼的混合物與h-BN的摩爾比為10:1 )。氫氧化鈉和氫氧化鉀混合後的共熔點溫度是160°C， 反應溫度為160°C。反應時間為15個小時
實施例3
如實施例I所述，不同之處在於步驟(I)中稱量氫氧化鋰3. 473g、氫氧化鈉 14. 2g和h-BN (六方氮化硼)0. 2482g (氫氧化鋰和氫氧化鈉的摩爾比為29:71,兩種鹼的混合物與h-BN的摩爾比為50:1 )，氫氧化鋰和氫氧化鈉混合物的共熔點溫度是220°C，反應溫度設置為225°C，反應時間為6個小時。反應釜中的產物溶於甲苯中。
實施例4
如實施例I所述，不同之處在於步驟(I)中稱量氫氧化鋰7. 425g、氫氧化鉀 38. 713g和h-BN (六方氮化硼)0. 2482g (氫氧化鋰和氫氧化鉀的摩爾比為31:69,兩種鹼的混合物與h-BN的摩爾比為100:1 )，氫氧化鋰和氫氧化鉀混合物的共熔點的溫度是225°C， 反應溫度設置為235°C，反應時間為20個小時。反應釜中的產物溶於水中。
實施例5
稱取氫氧化鋰O. 2395g和h-BN粉末O. 24g(氫氧化鋰和h_BN的摩爾比為I :1)，研磨混合均勻後轉移至反應釜，將反應釜置於480°C加熱爐中反應24個小時，取出反應釜，冷卻至室溫。水洗至濾液pH值6-8。反應釜中的產物溶於甲苯中。氫氧化鋰的熔點是471°C， 反應溫度設置為480°C。
實施例6
稱取氫氧化鈉8g和h-BN粉末O. 24g (氫氧化鈉和h_BN的摩爾比為20:1 )，研磨混合均勻後轉移至反應釜，將反應釜置於330°C加熱爐中反應6個小時，取出反應釜，冷卻至室溫。水洗至濾液pH值6-8。反應釜中的產物溶於甲醇中。氫氧化鋰的熔點是318°C， 反應溫度設置為330°C。
實施例7
稱取氫氧化鉀28. 053g和h_BN粉末O. 24g (氫氧化鉀和h_BN的摩爾比為50:1)， 研磨混合均勻後轉移至反應釜，將反應釜置於410°C加熱爐中反應I個小時，取出反應釜， 冷卻至室溫。水洗至濾液pH值6-8。反應釜中的產物溶於異丙醇中。氫氧化鋰的熔點是 360°C，反應溫度設置為410°C。
權利要求
1.一種利用熔融鹼製備二維六方氮化硼納米片的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)將鹼和六方氮化硼按摩爾比1:1-100:1的比例混合併研磨均勻，並轉移到反應釜中；(2)將反應釜置於加熱爐中進行加熱反應，加熱溫度為鹼的熔點溫度至熔點以上50°C 之間，使鹼熔融，反應時間為1-24個小時，取出反應釜，冷卻至室溫；(3)將反應釜中的反應產物水洗至pH值6-8，再溶於溶劑中分離，即可得到氮化硼納米片。
2.根據權利要求I所述的利用熔融鹼製備二維六方氮化硼納米片的方法，其特徵在於，所述鹼是一種鹼或者是兩種鹼任意比例的混合物。
全文摘要
本發明提出一種利用熔融鹼製備二維六方氮化硼納米片的方法，包括以下步驟(1)將鹼和六方氮化硼(h-BN)按摩爾比1:1-100:1的比例混合併研磨均勻，並轉移到反應釜中；(2)將反應釜置於加熱爐中進行加熱反應，加熱溫度為鹼的熔點溫度至熔點以上50℃之間，使鹼熔融，反應時間為1-24個小時，取出反應釜，冷卻至室溫；(3)將反應釜中的反應產物水洗至pH值6-8，再溶於溶劑中分離，即可得到氮化硼納米片。本發明將鹼與六方氮化硼一起加熱反應，利用熔融後的鹼來剝離氮化硼，以此製備出氮化硼納米片，操作簡單，成本低，不需要複雜昂貴的儀器設備，所用鹼原料廉價易得，對環境毒性小，並且反應所需溫度較低。
文檔編號B82Y40/00GK102976295SQ20121058309
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者郝霄鵬, 李先磊, 吳擁中 申請人:山東大學