一种六方氮化硼材料及其制备方法和转移方法技术

本发明专利技术公开了一种六方氮化硼材料及其制备方法和转移方法。所述制备方法包括：将金属衬底卷曲于管子内，置于化学气相沉积装置中，并通入载气，对反应前驱体进行化学气相沉积，在所述金属衬底表面得到所述六方氮化硼材料。所述转移方法包括：将第一膜材料溶液涂抹在生长有六方氮化硼材料的金属衬底上，进行溶剂挥发，用刻蚀液刻蚀掉金属衬底，并用第二膜捞起负载有所述六方氮化硼材料的第一膜，得到转移后的六方氮化硼膜。本发明专利技术提供的六方氮化硼材料为二维薄膜，面积可达25cm

A hexagonal boron nitride material and its preparation method and transfer method

The invention discloses a hexagonal boron nitride material, a preparation method and a transfer method. The preparation method includes: the metal substrate is coiled in a tube, placed in a chemical vapor deposition device, and filled with carrier gas, chemical vapor deposition of the reaction precursor is carried out, and the hexagonal boron nitride material is obtained on the surface of the metal substrate. The transfer method comprises smearing the solution of the first film material on the metal substrate with hexagonal boron nitride material, volatilizing the solvent, etching the metal substrate with the etching solution, and picking up the first film loaded with the hexagonal boron nitride material with the second film to obtain the transferred hexagonal boron nitride film. The hexagonal boron nitride material provided by the invention is a two-dimensional film with an area of 25 cm.

【技术实现步骤摘要】
一种六方氮化硼材料及其制备方法和转移方法
本专利技术属于二维材料
，涉及氮化硼材料及其制备方法和转移方法，尤其涉及一种六方氮化硼材料及其制备方法和转移方法。
技术介绍
质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)是质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)以及液流电池的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。目前，商业化的Nafion膜为美国杜邦公司生产制造，具有质子电导率高和化学稳定性好的优点。但是，Nafion膜仍存在下述缺点：(1)制作困难、成本高；(2)对温度和含水量要求高；(3)对某些碳氢化合物如甲醇渗透率高。因此，开发新型离子交换膜，以期替代Nafion膜，一直以来是科学界和产业界的主流研究方向之一。二维h-BN在分离膜技术起到至关重要的作用，因其具有以下特征：无毒性、高化学稳定性、高透光性、极强的硬度与高的杨氏模量。除此之外，相比较其他二维材料如石墨烯以及二硫化钼，由于二维h-BN网格内的氮原子对价电子的吸引力强于硼原子，其电子云结构更为稀薄，使得其对质子的传导效果优于其他二维材料。因此，基于二维h-BN的分离膜近年来逐渐引起学者的重视。然而，将上述传导膜的尺寸扩大至可供商业用燃料的电池仍是一项挑战。虽然研究人员在平方米尺度的石墨烯薄膜制备方法取得突破，大尺寸h-BN薄膜的制备仍具有很大的难度。CN108423647A公开了一种化学气相沉积法制备宏量六方氮化硼粉体的方法，包括：将前驱物在含氮反应气氛中加热至900℃～1450℃并保温，之后在保护气氛中冷却至室温，获得粗产物，所述前驱物包含氧化硼与氯化镁的均匀混合物；以及，对所述粗产物进行后处理，从而获得六方氮化硼粉体。该工艺制备过程繁琐，需要进行后处理，流程较长。CN106245001A公开了一种等离子体增强化学气相沉积制备六方氮化硼及其杂化结构的方法，该方案以铜箔为基底，以固态硼烷氨络合物为硼源和氮源，利用等离子体增强化学气相沉积法制备六方氮化硼杂化结构，具体步骤包括：将基底和硼烷氨络合物置于石英舟中，然后置入等离子体增强化学气相沉积系统中，抽真空；将反应炉加热到相应温度，通入气体，然后将基底移动到炉子中心；调节系统压力，进行热处理；生长六方氮化硼及其杂化结构；冷却到室温。该工艺需要使用等离子体增强的CVD体系，其设备成本较高，导致产品的成本也较高，并且需要在通入气体后再移动基底，操作较为困难。CN107964680A公开了一种制备单层六方氮化硼大单晶的方法，该方法包括：以含硼元素和氮元素的化合物为原料，在衬底上进行化学气相沉积，沉积完毕得到所述单层六方氮化硼单晶；所述化学气相沉积的体系中还含有泡沫材料。该工艺制备的六方氮化硼的面积还有待提高。
技术实现思路
针对把现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种六方氮化硼材料及其制备方法和转移方法。本专利技术提供的六方氮化硼材料为大尺寸薄膜，在液流电池领域有良好的应用前景。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种六方氮化硼材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：将金属衬底卷曲于管子内，置于化学气相沉积装置中，并通入载气，对反应前驱体进行化学气相沉积，在所述金属衬底表面得到所述六方氮化硼材料。本专利技术提供的制备方法利用限制空间辅助生长策略，以金属衬底与管子的间隙作为六方氮化硼生长的限制空间，采用化学气相沉积的方法生长出大面积的六方氮化硼材料。本专利技术的制备方法得到的六方氮化硼材料经过原子力显微镜表征，其厚度均为单层，所以本专利技术的制备方法是一种制备单层六方氮化硼材料的方法，所得的材料为大面积的二维材料。本专利技术中金属衬底的面积取决于管子的内径以及炉子的尺寸，可从几厘米到几十厘米不等。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。作为本专利技术优选的技术方案，所述金属衬底与管子的内表面贴合。紧密贴合可以保证金属衬底与管子内壁之间形成良好的限制空间，有助于大面积单层六方氮化硼材料的生长。优选地，所述管子包括石英管。优选地，所述管子的直径为0.5-2英寸，例如0.5英寸、0.8英寸、1英寸、1.2英寸、1.5英寸、1.7英寸或2.0英寸等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述金属衬底包括铜箔、镍箔或铜-镍合金箔中的任意一种或至少两种的组合，优选为铜箔。优选地，所述金属衬底为多晶金属衬底。作为本专利技术优选的技术方案，所述反应前驱体包括氨硼烷。在本专利技术的反应体系中，氨硼烷的使用质量可以为10mg-50mg。优选地，所述反应前驱体的加热温度为60-100℃，例如60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。进行加热可以使反应前驱体挥发，以气体形式进入化学气相沉积装置中。优选地，所述反应前驱体的加热时间为10-60min，例如10min、20min、30min、40min、50min或60min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述反应前驱体置于外接于化学气相沉积装置的独立罐体中。采用这样独立于化学气相沉积装置的罐体装载反应前驱体，可以对前驱体的释放量进行控制，相比于采用多温区的化学气相沉积装置来挥发反应前驱体，这种独立的罐体更容易得到高质量大面积的六方氮化硼材料。优选地，所述罐体为不锈钢罐体。优选地，所述化学气相沉积装置为化学气相沉积炉。作为本专利技术优选的技术方案，所述化学气相沉积的温度为1000-1050℃，例如1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃或1050℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述化学气相沉积的升温速率为20-50℃/min，例如20℃/min、30℃/min、40℃/min或50℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述化学气相沉积的时间为30-120min，例如30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min、110min或120min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述载气为还原性气体和/或惰性气体。优选地，所述还原性气体包括氢气。优选地，所述惰性气体包括氩气。优选地，所述载气为体积比1:1的氢气和氩气的混合气。采用这种混合气作为载气，效果最为优良。优选地，所述六方氮化硼材料的制备方法还包括：化学气相沉积后，在惰性气体下将卷曲在管子内的金属衬底冷却至15-35℃，即冷却至室温。优选地，所述惰性气体包括氩气。优选地，所述六方氮化硼材料的制备方法还包括：通入载气前，反复进行抽真空再充气的循环，使得化学气相沉积装置的背景压力为0.1-0.3Torr，例如0.1Torr、0.15Torr、0.2Torr、0.25Torr或0.3Torr等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种六方氮化硼材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将金属衬底卷曲于管子内，置于化学气相沉积装置中，并通入载气，对反应前驱体进行化学气相沉积，在所述金属衬底表面得到所述六方氮化硼材料。

【技术特征摘要】
1.一种六方氮化硼材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将金属衬底卷曲于管子内，置于化学气相沉积装置中，并通入载气，对反应前驱体进行化学气相沉积，在所述金属衬底表面得到所述六方氮化硼材料。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述金属衬底与管子的内表面贴合；优选地，所述管子包括石英管；优选地，所述管子的直径为0.5-2英寸；优选地，所述金属衬底包括铜箔、镍箔或铜-镍合金箔中的任意一种或至少两种的组合，优选为铜箔；优选地，所述金属衬底为多晶金属衬底。3.根据权利要求1或2所述的六方氮化硼材料的制备方法，其特征在于，所述反应前驱体包括氨硼烷；优选地，所述反应前驱体的加热温度为60-100℃；优选地，所述反应前驱体的加热时间为10-60min；优选地，所述反应前驱体置于外接于化学气相沉积装置的独立罐体中；优选地，所述罐体为不锈钢罐体；优选地，所述化学气相沉积装置为化学气相沉积炉。4.根据权利要求1-3任一项所述的六方氮化硼材料的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积的温度为1000-1050℃；优选地，所述化学气相沉积的升温速率为20-50℃/min；优选地，所述化学气相沉积的时间为30-120min；优选地，所述载气为还原性气体和/或惰性气体；优选地，所述还原性气体包括氢气；优选地，所述惰性气体包括氩气；优选地，所述载气为体积比1:1的氢气和氩气的混合气；优选地，所述六方氮化硼材料的制备方法还包括：化学气相沉积后，在惰性气体下将卷曲在管子内的金属衬底冷却至15-35℃；优选地，所述惰性气体包括氩气；优选地，所述六方氮化硼材料的制备方法还包括：通入载气前，反复进行抽真空再充气的循环，使得化学气相沉积装置的背景压力为0.1-0.3Torr。5.根据权利要求1-4任一项所述的六方氮化硼材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将多晶铜箔衬底卷曲于直径0.5-2英寸的石英管内，并置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：康飞宇，刘碧录，刘佳曼，
申请(专利权)人：清华伯克利深圳学院筹备办公室，
类型：发明
国别省市：广东,44