三维多孔六方氮化硼的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三维多孔六方氮化硼的制备方法，包括以下步骤：第一步、将先驱体放入坩埚内；所述的先驱体包括氮源和硼源，氮源是氨气、尿素、叠氮钠、吡啶、三聚氰胺、硼烷氨中的一种或多种，硼源是硼粉、氧化硼、硼酸、硼酸铵、氢硼化钠、碳化硼、硼烷氨中的一种或多种；第二步、将坩埚置于高温炉中，抽真空到1～40Pa，通入气体排除氧气；第三步、在10min～4h内升温至900℃～1600℃，反应0.5～5h；降至室温，即可得到三维多孔六方氮化硼。本发明专利技术工艺简单、无需繁杂的原料预处理和后续处理、可重复性好、可批量制备并容易实现工业化应用。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，包括以下步骤：第一步、将先驱体放入坩埚内；所述的先驱体包括氮源和硼源，氮源是氨气、尿素、叠氮钠、吡啶、三聚氰胺、硼烷氨中的一种或多种，硼源是硼粉、氧化硼、硼酸、硼酸铵、氢硼化钠、碳化硼、硼烷氨中的一种或多种；第二步、将坩埚置于高温炉中，抽真空到1～40Pa，通入气体排除氧气；第三步、在10min～4h内升温至900℃～1600℃，反应0.5～5h；降至室温，即可得到三维多孔六方氮化硼。本专利技术工艺简单、无需繁杂的原料预处理和后续处理、可重复性好、可批量制备并容易实现工业化应用。【专利说明】
本专利技术涉及三维多孔纳米材料，具体涉及，属于新材料
。
技术介绍
石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子材料，是碳的二维结构，因其独特的结构和优异的性能，自2004年被发现以来类石墨烯结构材料便受到广泛关注(K.S.Novoselov, A.K.Geim, S.V.Morozov, Science.2004, 306, 666)。六方氮化硼是典型的III一 V族化合物，带隙为5.9eV,具有类似石墨的层状结构，与石墨是等电子体，B和N原子完全取代了石墨片结构中的C原子而基本不改变原子间距，有白石墨之称。二维六方氮化硼具有良好的润滑性、电绝缘性、导热性、耐化学腐蚀性以及中子吸收能力。三维六方氮化硼除具有上述的优点之外，还具有高比表面积、高气孔率，而有望在吸附、催化、润滑、高导热复合材料的填料、光电器件等领域具有广泛的应用前景。到目前为止， 二维六方氮化硼的制备方法较多，比如溅射沉积法；但是却只有少数方法可以用来合成三维多孔六方氮化硼，主要包括:模板合成法(S.Schlienger,J.Alauzun, F.Michaux, J.B.Parra, Chem.Mater., 2012, 24, 88-96),此外利用氮化硼前驱体高温热解，以金属为基体的自组装和自蔓延燃烧合成(Ben Rushton, Robert Mokaya,J.Mater.Chem.，2008，18，235 - 241)也能得到不同孔径结构的氮化硼材料。但是，无论是制备出的三维多孔结构材料，还是生产方法，都存在着不足之处，首先，这些多孔材料的表观密度高、吸附性能不佳、三维结构不甚明显、；其次，这些生产方法的制备步骤比较繁琐，包括原料前期的预处理和产物的后续处理，生产周期一般较长，又因产率低和价格昂贵而不利于工业大批量生产。
技术实现思路
本专利技术针对现有繁琐，制备的材料表观密度高、吸附性能差、孔径结构单一、产率低等不足，提供了一种，步骤简单，制备得到的三维多孔六方氮化硼呈现出表观密度低、吸附性能好、产率高、多级孔径分布的特征。，包括以下步骤:第一步、将先驱体放入坩埚内；所述的先驱体包括氮源和硼源，氮源是氨气、尿素、叠氮钠、吡啶、三聚氰胺、硼烷氨中的一种或多种，硼源是硼粉、氧化硼、硼酸、硼酸铵、氢硼化钠、碳化硼、硼烷氨中的一种或多种；第二步、将坩埚置于高温炉中，抽真空到I~40Pa，通入气体排除氧气；第三步、在IOmin~4h内升温至900°C~1600°C，反应0.5~5h ;降至室温，即可得到三维多孔六方氮化硼。先驱体在受热时发生热分解反应，可以释放出一定量的气体如氨气、氮气、氢气等，气体溢出后会使材料留下部分的孔隙结构，通过对反应条件的控制，从而制得三维多孔氮化硼材料。采用上述方法可以得到不同孔径分布范围、不同形貌的三维多孔氮化硼。作为优选，所述的氮源和硼源都是硼烷氨。选取硼烷氨作为制备六方氮化硼的硼源和氮源，加热后可以释放一定量的氨气、氮气、氢气或者其他物质，形成过渡的环氮硼烷分子，环氮硼烷分子进一步热分解形成氮化硼。作为优选，第一步中，先驱体中混合有活性剂，所述活性剂为高纯硫(S)、硫脲(CH4N2S )、硫代氨基脲(CH5N3S )、碳酸铵((NH4) 2.CO3)、氯化铵(NH4Cl)、尿素(CO (NH2) 2)、偶氮二甲酰胺(AC)中的一种或多种。与利用先驱体直接制备多孔氮化硼的产率相比，加入活性剂后，产率要高很多，形成的六方氮化硼的产率可高达78%，远大于相同条件下不加活性剂的产率53%。作为优选，活性剂为硫脲(CH4N2S)、硫代氨基脲(CH5N3S)或高纯硫(S)。硫脲、硫代氨基脲或高纯硫的硫化性能够促进了分子的交联，有利于相互交织的分子分解时形成三维多孔结构，对于形成三维多孔六方氮化硼起到了关键性的作用；更进一步地，活性剂优选硫脲或硫代氨基脲。因为硫脲、硫代氨基脲的活性比高纯硫的活性略高，制备出的六方氮化硼的三维多孔结构更加明显；而且硫脲、硫代氨基脲可以提供含氮气氛，能够明显提高氮化硼的产率，由实验可知，使用硫脲和硫代氨基脲作为活性剂，六方氮化硼的产率可达76.3%~78%，略低于硼烷氨完全分解生成氮化硼的理论值80.5%，基本上没有损耗。作为优选，所述活性剂的质量不大于先驱体的质量的5倍。作为优选，活 性剂和先驱体的质量比为0.2:1~1:1。作为优选，活性剂和先驱体的质量比为0.4:1。实验表明，在这个质量比条件下能够获得表观密度低、产率高且制得的六方氮化硼三维结构明显，效果最显著。作为优选，第二步中，气体是氢气、氨气、IS气、氮气、氖气、氦气中的一种或多种。气体优选氮气。选择惰性气氛N2，可以防止产物在高温下被氧化。作为优选，氮气的通入流量为5~200sccm,最好为40sccm。作为优选，第三步的升温过程是在SOmin内由室温升至1200°C ;降温过程是先控制在60min内降至700°C，然后自然冷却至室温。如果升温速度太快，单位时间内先驱体和/或活性剂分解产生气体的速度太快可能致使气体无法完全溢出而留下泡沫结构，如果升温速度太慢，单位时间内气体的溢出速度太慢可能致使材料比较致密。对于高温炉而言在高温阶段的自动降温速度很快，这样对产物的质量会产生负面影响，因此需要控制降温速率。作为优选，所述的坩埚为刚玉坩埚，高温炉为高温水平管式炉。技术效果本专利技术将先驱体和活性剂混合均匀后在一定的气氛、温度下进行热处理，通过先驱体的热分解机理，制备氮化硼的发泡预备体，形成疏松多孔的结构，然后在高温中反应得到三维多孔六方氮化硼，其表观密度低，对四氯化碳的吸附能力高，产率为高，孔径分布范围广。本专利技术的制备方法具有以下优点:(I)工艺简单:本专利技术所采用的工艺主要是应用热分解机理，无需复杂的原料预处理(如原料的提纯、改性)和产物的后续处理(如产物的洗涤、干燥)，因此具有简单易行的特点。(2)设备廉价:高温管式炉设备是常用的并可以多次重复利用的工业设备，无需使用衬底而衬底的价格一般都比较昂贵因此节省了大量的开资，具有较低的仪器设备要求。(3)工艺参数容易控制:先驱体与活化剂的质量比，容易精确控制；气体流速、升温速率、反应温度的调节；高温管式炉性能可以保证。(4)周期短:实验过程中所用的升温时间范围是IOmin~4h，反应时间范围是0.5~5h,故周期较短。(5)成本低:所用的原料除硼烷氨之外为常见的硫脲、硫代氨基脲、碳酸铵之类的有机物，所以成本低且易于获取。(6)产业应用性:本专利技术方法制备出的低密度、高质量的三维氮化硼泡沫可以应用于污水处理、负载催化、石墨烯器件缓冲层等领域。【专利附图本文档来自技高网...

【技术保护点】
三维多孔六方氮化硼的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：    第一步、将先驱体放入坩埚内；所述的先驱体包括氮源和硼源，氮源是氨气、尿素、叠氮钠、吡啶、三聚氰胺、硼烷氨中的一种或多种，硼源是硼粉、氧化硼、硼酸、 硼酸铵、氢硼化钠、碳化硼、硼烷氨中的一种或多种；    第二步、将坩埚置于高温炉中，抽真空到1～40Pa，通入气体排除氧气；第三步、在10min～4h内升温至900℃～1600℃，反应0.5～5h；降至室温，即可得到三维多孔六方氮化硼。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾海波，赵会结，宋秀峰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32