CN102976295A - 一种利用熔融碱制备二维六方氮化硼纳米片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种利用熔融碱制备二维六方氮化硼纳米片的方法，包括以下步骤：（1）将碱和六方氮化硼（h-BN）按摩尔比1:1-100:1的比例混合并研磨均匀，并转移到反应釜中；（2）将反应釜置于加热炉中进行加热反应，加热温度为碱的熔点温度至熔点以上50℃之间，使碱熔融，反应时间为1-24个小时，取出反应釜，冷却至室温；（3）将反应釜中的反应产物水洗至pH值6-8，再溶于溶剂中分离，即可得到氮化硼纳米片。本发明将碱与六方氮化硼一起加热反应，利用熔融后的碱来剥离氮化硼，以此制备出氮化硼纳米片，操作简单，成本低，不需要复杂昂贵的仪器设备，所用碱原料廉价易得，对环境毒性小，并且反应所需温度较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用熔融碱剥离氮化硼粉体制备氮化硼纳米片的方法，属于晶体材料技术领域。
背景技术
随着石墨烯研究的兴起，二维材料（材料的厚度在1nm到100nm之间）以其特有的性质越来越受到人们的重视。在这些二维材料中，六方氮化硼(h-BN)因在结构上和石墨最为接近，引起了很多科研小组的关注和兴趣：二维六方氮化硼会不会像石墨烯那样具有很多特殊的性质？迄今为止，国际上很多研究小组相继报道了二维h-BN的许多优异性质。但是，与石墨不同的是，由于h-BN的层与层之间具有较强的离子键作用，使得剥离氮化硼的难度比剥离石墨的难度要大很多。这也是很多用于制备石墨烯的方法在制备六方氮化硼纳米片时收效甚微的原因之一。
从目前的研究成果可以看出，二维h-BN具有很多其他维度结构的氮化硼（如氮化硼纳米管，纳米线）所不能比拟的优点，例如C.R.Dean等人报道用几十纳米厚度的h-BN作衬底的石墨烯器件性能更好；L.A.Ponomarenko等人用h-BN纳米片和石墨烯制作的夹心结构可以实现石墨烯从金属到绝缘体的转变（见参考文献Dean,C.R.et al.Boron nitridesubstrates for high-quality graphene electronics.Nature Nanotech.5,722-726,2010;Ponomarenko,L.A.etal.Tunable metal-insulator transition in double-layer grapheneheterostructures.Nature Phys.7,958-961,2011；Golberg,D.etal.Boron nitridenanotubes 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;Perim,E.&Galvao,D.S.The structure and dynamicsof boron nitride nanoscrolls.Nanotechnology20,335702,2009;Y.Lin,J.W.Connell,Nanoscale.4,6908,2012）。到目前为止，制备h-BN纳米片的方法有微机械剥离法（D.Pacile,J.C.Meyer,C.O.Girit,A.Zettl,Appl.Phys.Lett.2008,92,133107），液相剥离法（C.Zhi,Y.Bando,C.Tang,H.Kuwahara,D.Golberg,Adv.Mater.2009,21,2889；K.Zhou,N.Mao,H.Wang,Y.Peng,H.Zhang,Angew.Chem.Int.Ed.2011,50,1.），气相沉积法（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.Ajayan,Nano Lett.2010,10,3209），这些方法基本上都是借鉴石墨烯的制备方法。
由于迄今为止六方氮化硼单晶依然没有商品化，所以微机械剥离法制备氮化硼纳米片就受到了限制；此外，该方法产率非常低。液相剥离法需要选择合适的溶剂，而这些溶剂往往价格昂贵，沸点高，此外实验时需要特殊的处理。气相沉积法制备h-BN纳米片往往需要温度很高，通常是1000℃，而且原料有毒，实验过程难以控制。
发明内容
针对现有制备六方氮化硼(h-BN)纳米片制备技术存在的不足，本发明提出一种操作简单、成本低的利用熔融碱制备二维六方氮化硼纳米片的方法。
本发明利用熔融碱制备二维六方氮化硼纳米片的方法，包括以下步骤：
（1）将碱（如氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾等）和六方氮化硼（h-BN）按摩尔比1:1-100:1的比例混合并研磨均匀，并转移到反应釜中；
（2）将反应釜置于加热炉中进行加热反应，加热温度为碱的熔点温度至熔点以上50℃之间，使碱熔融，反应时间为1-24个小时，取出反应釜，冷却至室温；
（3）将反应釜中的反应产物水洗至pH值6-8，再溶于溶剂中分离，即可得到氮化硼纳米片。
所述碱是一种碱，或者是两种碱任意比例的混合物。采用两种碱的混合物时，步骤（2）中所述碱的熔点为两种碱的共熔点，需要根据两种碱的比例确定。
所述溶剂为甲苯、乙醇、甲醇、异丙醇、水或其它能够使氮化硼纳米片分离的溶剂。
本发明将碱与六方氮化硼一起加热反应，利用熔融后的碱来剥离氮化硼，以此制备出氮化硼纳米片，操作简单，成本低，不需要复杂昂贵的仪器设备，所用碱原料廉价易得，对环境毒性小，并且反应所需温度较低，
附图说明
图1是本发明制备的氮化硼纳米片分别溶于甲苯、乙醇、异丙醇和水中（由左至右）在激光照射下产生的丁达尔现象的照片。
图2是本发明制备的氮化硼纳米片的扫描电镜照片。
图3是本发明制备的氮化硼纳米片的透射电镜照片（100nm是长度标尺）。
图4给出了本发明制备的氮化硼纳米片的原子力显微镜照片及纳米片的厚度大小。左边图为纳米片的形貌图，右边图为纳米片不同位置的厚度尺寸。
具体实施方式
实施例1
（1）称量氢氧化钠2.060g、氢氧化钾2.716g和h-BN（六方氮化硼）0.2482g（氢氧化钠和氢氧化钾的摩尔比为51.5：48.5，两种碱的混合物与h-BN的摩尔比为10:1），混合后置于玻璃材质的研钵中，研磨10分钟（对研磨细度没有要求，研磨的目的是为了混合均匀），转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中。
（2）将反应釜置于180℃加热炉中反应2个小时，取出反应釜，冷却至室温。氢氧化钠和氢氧化钾按摩尔比51.5：48.5混合后的共熔点的温度是165℃，反应温度可设置在180℃。
（3）将反应釜中的反应产物溶于300ml去离子水，通过布氏漏斗过滤，清洗至滤液pH值6-8。再溶于甲苯、乙醇、异丙醇或水中，静置分离或离心分离，即可得到氮化硼纳米片。
图1是本发明制备的氮化硼纳米片分别溶于甲苯、乙醇、异丙醇和水中（由左至右）在激光照射下产生的丁达尔现象的照片。
图2给出了本实施例制备的氮化硼纳米片的扫描电镜照片。
图3给出了本实施例制备的氮化硼纳米片的透射电镜照片。
图4给出了本实施例制备的氮化硼纳米片的原子力显微镜照片及纳米片的厚度大小。
实施例2
如实施例1所述，不同之处在于：步骤（1）中称量氢氧化钠4.120g、氢氧化钾5.432g和h-BN（六方氮化硼）0.2482g（氢氧化钠和氢氧化钾的摩尔比为51.5：48.5，两种碱的混合物与h-BN的摩尔比为10:1）。氢氧化钠和氢氧化钾混合后的共熔点温度是160℃，反应温度为160℃。反应时间为15个小时
实施例3
如实施例1所述，不同之处在于：步骤（1）中称量氢氧化锂3.473g、氢氧化钠14.2g和h-BN（六方氮化硼）0.2482g（氢氧化锂和氢氧化钠的摩尔比为29:71，两种碱的混合物与h-BN的摩尔比为50:1），氢氧化锂和氢氧化钠混合物的共熔点温度是220℃，反应温度设置为225℃，反应时间为6个小时。反应釜中的产物溶于甲苯中。
实施例4
如实施例1所述，不同之处在于：步骤（1）中称量氢氧化锂7.425g、氢氧化钾38.713g和h-BN（六方氮化硼）0.2482g（氢氧化锂和氢氧化钾的摩尔比为31:69，两种碱的混合物与h-BN的摩尔比为100:1），氢氧化锂和氢氧化钾混合物的共熔点的温度是225℃，反应温度设置为235℃，反应时间为20个小时。反应釜中的产物溶于水中。
实施例5
称取氢氧化锂0.2395g和h-BN粉末0.24g（氢氧化锂和h-BN的摩尔比为1：1），研磨混合均匀后转移至反应釜，将反应釜置于480℃加热炉中反应24个小时，取出反应釜，冷却至室温。水洗至滤液pH值6-8。反应釜中的产物溶于甲苯中。氢氧化锂的熔点是471℃，反应温度设置为480℃。
实施例6
称取氢氧化钠8g和h-BN粉末0.24g（氢氧化钠和h-BN的摩尔比为20:1），研磨混合均匀后转移至反应釜，将反应釜置于330℃加热炉中反应6个小时，取出反应釜，冷却至室温。水洗至滤液pH值6-8。反应釜中的产物溶于甲醇中。氢氧化锂的熔点是318℃，反应温度设置为330℃。
实施例7
称取氢氧化钾28.053g和h-BN粉末0.24g（氢氧化钾和h-BN的摩尔比为50:1），研磨混合均匀后转移至反应釜，将反应釜置于410℃加热炉中反应1个小时，取出反应釜，冷却至室温。水洗至滤液pH值6-8。反应釜中的产物溶于异丙醇中。氢氧化锂的熔点是360℃，反应温度设置为410℃。
Claims (2)
1.一种利用熔融碱制备二维六方氮化硼纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将碱和六方氮化硼按摩尔比1:1-100:1的比例混合并研磨均匀，并转移到反应釜中；
（2）将反应釜置于加热炉中进行加热反应，加热温度为碱的熔点温度至熔点以上50℃之间，使碱熔融，反应时间为1-24个小时，取出反应釜，冷却至室温；
（3）将反应釜中的反应产物水洗至pH值6-8，再溶于溶剂中分离，即可得到氮化硼纳米片。
2.根据权利要求1所述的利用熔融碱制备二维六方氮化硼纳米片的方法，其特征在于，所述碱是一种碱或者是两种碱任意比例的混合物。
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