CN103787288B

CN103787288B - 一种氮化硼烯纳米片的制备方法

Info

Publication number: CN103787288B
Application number: CN201410029564.8A
Authority: CN
Inventors: 毕振宇; 陈亚飞; 裴碧泓; 毕见强; 尹崇龙; 油光磊; 白玉俊; 赵庆强
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2034-01-22
Also published as: CN103787288A

Abstract

本发明公开了一种氮化硼烯纳米片的制备方法，以硼氢化钠为硼源、硫酸铵为氮源、石墨烯纳米片为模板，步骤如下：（1）分别称取硫酸铵、硼氢化钠和石墨烯纳米片；硫酸铵、硼氢化钠和石墨烯纳米片按质量比为1.5～1.67:1:0.13～0.33；（2）将三种原料混合均匀装入反应釜中，封紧反应釜，放入到坩埚炉中加热到500～600℃，保温10～16h，停止加热使其随炉冷却至室温；（3）将所得产物用盐酸清洗3～5次，然后用去离子水清洗3～5次，抽滤直至滤液呈中性为止；（4）将所得产物在60～90℃在干燥箱里干燥5～8h；（5）然后将干燥后的产物在马沸炉里加热至700～800℃氧化处理，即得到灰白色的氮化硼烯纳米片。本发明使用的设备简单而且安全性好，成本较低，制备工艺稳定，操作处理简单，生产效率高。

Description

一种氮化硼烯纳米片的制备方法

技术领域

本发明涉及一种机非金属材料制备方法，尤其是一种氮化硼烯纳米片制备方法。

背景技术

自2004年，Novoselov和Geim等人成功制备了只有一层碳原子的石墨烯，由此成功开启了二维材料的研究的序幕。h-BN与石墨具有相似的结构，因此同样具有二维结构的单层氮化硼纳米片也越来越受到研究者的关注。

与石墨烯相似，单层氮化硼纳米片(氮化硼烯)也具有优异的物理性质，良好的机械性能，高化学稳定性和抗氧化性，热导率约2000W/(m×K)、高透明度(可见光区基本无吸收)。另外，其带隙宽度达到了5.97eV。对于单层氮化硼纳米片性能的研究刚刚起步，很多性能还未得到测试。

氮化硼烯纳米片是由单层氮化硼烯平面结构堆垛而成,厚度为纳米尺度的两维纳米材料。

目前，制备氮化硼烯纳米片的方法包括：机械剥离法、超声辅助溶剂剥离法、化学气相沉积法、SiC外延生长法等。机械剥离法(例如球磨法)制备的氮化硼烯纳米片缺陷比较多，其他方法制备的氮化硼烯纳米片产量非常小，而且氮化硼烯纳米片的转移过程复杂。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种氮化硼烯纳米片的制备方法，该方法不使用催化剂，成本较低，操作处理简单，生量高，产品性能好。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种氮化硼烯纳米片的制备方法，其以硼氢化钠为硼源、硫酸铵为氮源、石墨烯纳米片为模板，具体步骤如下：

（1）分别称取硫酸铵、硼氢化钠和石墨烯纳米片；其中，硫酸铵、硼氢化钠和石墨烯纳米片按质量比为1.5~1.67:1:0.13~0.33；

（2）将步骤（1）中的三种原料混合均匀装入反应釜中，封紧反应釜，放入到坩埚炉中加热到500~600°C，保温10~16h，停止加热使其随炉冷却至室温；

（3）将步骤（2）反应所得产物用盐酸清洗3~5次，然后用去离子水清洗3~5次，抽滤直至滤液呈中性为止；

（4）将步骤（3）所得产物在60~90°C在干燥箱里干燥5~8h；

（5）然后将步骤（4）中干燥后的产物在马沸炉里加热至700~800°C氧化处理，即得到灰白色的氮化硼烯纳米片。

所述步骤（1）采用天平称量。

所述石墨烯纳米片的厚度为1~20nm。

所述步骤（3）中的盐酸浓度为37.5%。

所得灰白色的氮化硼烯纳米片经研磨得到成品，进行其它的表征和测试。

本发明有益效果是：

（1）本发明使用的设备简单。本发明主要是使用不锈钢高压反应釜，而化学气相反应法和SiC外延生长法使用的是管式炉，对实验条件要求苛刻。需要较高的真空度，一般使用危险气体氨气。

（2）成本较低，所需原料都是常用化工原料。本发明中使用的原料如硫酸铵、硼氢化钠都是常见试剂。而化学气相反应法需要使用金属箔片，SiC外延生长法使用SiC晶片等，价格较贵。

（3）制备工艺稳定，操作处理简单，生产效率高。采用机械剥离法和超声溶剂剥离法制备的氮化硼烯纳米片的量非常少，而本发明一次性制备的纳米片最多可达到克的量级。另外，化学气相反应法和SiC外延生长法制备的氮化硼烯纳米片都需要转移，这个过程操作复杂且对产品质量有损害。

（4）产品性能优异。用该方法制备的氮化硼烯纳米片与石墨烯纳米片具有类似的优异性能，可以用作复合材料增强相、传感器、半导体二极管、场发射器等。

附图说明

图1是实施例1的氮化硼烯纳米片的X-射线衍射图；

图2是实施例1的氮化硼烯纳米片的扫描电镜形貌图；

图3是实施例1的氮化硼烯纳米片的透射电镜形貌图；

图4是实施例1的氮化硼烯纳米片的高分辨电镜形貌图；

图5是实施例2的氮化硼烯纳米片的SEM形貌图；

图6是实施例3的氮化硼烯纳米片的SEM形貌图；

图7是实施例4的氮化硼烯纳米片的HRTEM图；

图8是实施例5的氮化硼烯纳米片的SEM形貌图；

图9是实施例6的氮化硼烯纳米片的HRTEM图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

用以硼氢化钠为硼源、以硫酸铵为氮源、石墨烯纳米片为模板制备氮化硼烯纳米片。用天平称取1.5g硼氢化钠，2.4g硫酸铵和0.2g石墨烯纳米片，装入反应釜中，封紧反应釜，放入到坩埚炉中加热到600°C，保温12h，停止加热使其随炉冷却至室温；将反应所得产物用盐酸清洗3次，然后用去离子水清洗3次，抽滤直至滤液呈中性为止；然后将其在80°C在干燥箱里干燥6h；将干燥后的产物在马沸炉里加热至750°C进行氧化处理，即得到灰白色的氮化硼烯纳米片。经研磨，得到成品。

图1是用1.5g硼氢化钠，2.4g硫酸铵和0.2g石墨烯纳米片，加热到600°C，保温12h，750°C氧化处理得到灰白色氮化硼烯纳米片的X-射线衍射图。图中的衍射峰均是h-BN的特征衍射峰，并且衍射峰明显，没有其他检测到其他的物质，说明处理后的产物纯度高、结晶良好。

图2是用1.5g硼氢化钠，2.4g硫酸铵和0.2g石墨烯纳米片，加热到600°C，保温12h，750°C氧化处理得到灰白色的氮化硼烯纳米片的SEM形貌图。可以看出氮化硼烯纳米片是能透光的，表明氮化硼烯纳米片的厚度很薄。并且氮化硼烯纳米片的面积达到了微米级。

图3和图4是用1.5g硼氢化钠，2.4g硫酸铵和0.2g石墨烯纳米片，加热到600°C，保温12h，750°C氧化处理得到灰白色的氮化硼烯纳米片的TEM形貌图和HRTEM图。从图中可以看出，氮化硼烯纳米片的厚度较薄，厚度约为5nm。

实施例2：

用以硼氢化钠为硼源、以硫酸铵为氮源、石墨烯纳米片为模板制备氮化硼纳米片。用天平称取1.5g硼氢化钠，2.45g硫酸铵和0.3g石墨烯纳米片，装入反应釜中，封紧反应釜，放入到坩埚炉中加热到550°C，保温15h，停止加热使其随炉冷却至室温；将反应所得产物用盐酸清洗3次，然后用去离子水清洗5次，抽滤直至滤液呈中性为止；然后将其在70°C在干燥箱里干燥5.5h；将干燥后的产物在马沸炉里加热至730°C进行氧化处理，即得到灰白色的氮化硼烯纳米片。经研磨，得到成品。

图5是用1.5g硼氢化钠，2.45g硫酸铵和0.3g石墨烯纳米片，加热到550°C，保温15h，730°C氧化处理得到灰白色的氮化硼烯纳米片的SEM形貌图。可以看出氮化硼烯纳米片的量比较大，但是会有一定的卷曲。

实施例3：

用以硼氢化钠为硼源、以硫酸铵为氮源、石墨烯纳米片为模板制备氮化硼纳米片。用天平称取1.45g硼氢化钠，2.5g硫酸铵和0.4g石墨烯纳米片，装入反应釜中，封紧反应釜，放入到坩埚炉中加热到580°C，保温14h，停止加热使其随炉冷却至室温；将反应所得产物用盐酸清洗3次，然后用去离子水清洗4次，抽滤直至滤液呈中性为止；然后将其在65°C在干燥箱里干燥8h；将干燥后的产物在马沸炉里加热至770°C进行氧化处理，即得到灰白色的氮化硼烯纳米片。经研磨，得到成品。

图6是用1.45g硼氢化钠，2.5g硫酸铵和0.4g石墨烯纳米片，加热到580°C，保温8h，770°C氧化处理得到灰白色的氮化硼烯纳米片的SEM形貌图。可以看出氮化硼烯纳米片的面积也达到了微米级，但氮化硼烯纳米片周围还存在一些颗粒，这可能是由于保温时间略短造成的。

实施例4：

用以硼氢化钠为硼源、以硫酸铵为氮源、石墨烯纳米片为模板制备氮化硼纳米片。用天平称取1.55g硼氢化钠，2.46g硫酸铵和0.3g石墨烯纳米片，装入反应釜中，封紧反应釜，放入到坩埚炉中加热到520°C，保温16h，停止加热使其随炉冷却至室温；将反应所得产物用盐酸清洗3次，然后用去离子水清洗4次，抽滤直至滤液呈中性为止；然后将其在75°C在干燥箱里干燥7.5h；将干燥后的产物在马沸炉里加热至720°C进行氧化处理，即得到灰白色的氮化硼烯纳米片。经研磨，得到成品。

图7是用1.55g硼氢化钠，2.46g硫酸铵和0.3g石墨烯纳米片，加热到520°C，保温16h，720°C氧化处理得到灰白色的氮化硼烯纳米片的HRTEM图。从图中可以看出，氮化硼烯纳米片附近还存在一些无定型的BN颗粒，这是由于反应温度略低。

实施例5：用以硼氢化钠为硼源、以硫酸铵为氮源、石墨烯纳米片为模板制备氮化硼烯纳米片。用天平称取1.5g硼氢化钠，2.25g硫酸铵和0.2g石墨烯纳米片，装入反应釜中，封紧反应釜，放入到坩埚炉中加热到500°C，保温10h，停止加热使其随炉冷却至室温；将反应所得产物用盐酸清洗3次，然后用去离子水清洗3次，抽滤直至滤液呈中性为止；然后将其在60°C在干燥箱里干燥5h；将干燥后的产物在马沸炉里加热至700°C进行氧化处理，即得到灰白色的氮化硼烯纳米片。经研磨，得到成品。

图8是用1.5g硼氢化钠，2.25g硫酸铵和0.2g石墨烯纳米片，加热到500°C，保温10h，700°C氧化处理得到灰白色的氮化硼烯纳米片的HRTEM图。从图中可以看出，氮化硼烯纳米片形貌较差，厚度也较大。这是由于硫酸铵添加量较少，反应所需氮源不足，另外，反应温度也略低。

实施例6：

用以硼氢化钠为硼源、以硫酸铵为氮源、石墨烯纳米片为模板制备氮化硼烯纳米片。用天平称取1.5g硼氢化钠，2.55g硫酸铵和0.5g石墨烯纳米片，装入反应釜中，封紧反应釜，放入到坩埚炉中加热到600°C，保温16h，停止加热使其随炉冷却至室温；将反应所得产物用盐酸清洗5次，然后用去离子水清洗5次，抽滤直至滤液呈中性为止；然后将其在90°C在干燥箱里干燥8h；将干燥后的产物在马沸炉里加热至800°C进行氧化处理，即得到灰白色的氮化硼烯纳米片。经研磨，得到成品。

图9是用1.5g硼氢化钠，2.55g硫酸铵和0.5g石墨烯纳米片，加热到600°C，保温16h，800°C氧化处理得到灰白色的氮化硼烯纳米片的HRTEM图。从图中可以看出，氮化硼烯纳米片达到了微米级，但表面的褶皱略多。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种氮化硼烯纳米片的制备方法，其特征是，其以硼氢化钠为硼源、硫酸铵为氮源、石墨烯纳米片为模板，具体步骤如下：

(1)分别称取硫酸铵、硼氢化钠和石墨烯纳米片；其中，硫酸铵、硼氢化钠和石墨烯纳米片按质量比为1.5～1.67:1:0.13～0.33；

(2)将步骤(1)中的三种原料混合均匀装入反应釜中，封紧反应釜，放入到坩埚炉中加热到500～600℃，保温10～16h，停止加热使其随炉冷却至室温；

(3)将步骤(2)反应所得产物用盐酸清洗3～5次，然后用去离子水清洗3～5次，抽滤直至滤液呈中性为止；

(4)将步骤(3)所得产物在60～90℃在干燥箱里干燥5～8h；

(5)然后将步骤(4)中干燥后的产物在马沸炉里加热至700～800℃氧化处理，即得到灰白色的氮化硼烯纳米片，所得灰白色的氮化硼烯纳米片经研磨得到成品；

所述石墨烯纳米片的厚度为1～20nm。

2.如权利要求1所述的氮化硼烯纳米片的制备方法，其特征是，所述步骤(1)采用天平称量。

3.如权利要求1所述的氮化硼烯纳米片的制备方法，其特征是，所述步骤(3)中的盐酸浓度为37.5％。