CN106082148A - 一种利用液氮气化制备二维六方氮化硼纳米片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明利用液氮气化制备二维六方氮化硼纳米片的方法，包括以下步骤：(1)将商品级六方氮化硼(多层)置于坩埚中，在高温炉中空气氛下加热到500～800℃，保持1～30分钟；(2)快速取出热的步骤(1)得到的六方氮化硼，转移到装有液氮的反应瓶中，至液氮完全气化；(3)将步骤(2)处理后的六方氮化硼再转移到高温炉中加热到500～800℃，保持1～30分钟；(4)重复步骤(2)和步骤(3)2～20次，即得。本发明将六方氮化硼通过高温热膨胀后，快速转移到液氮中，利用高温促使液氮迅速气化作用，气相剥离氮化硼，以此制备出氮化硼纳米片。

Description

一种利用液氮气化制备二维六方氮化硼纳米片的方法
技术领域
本发明涉及一种利用液氮气化剥离商品级六方氮化硼(h-BN，径向尺寸50～5000nm，厚度>20nm)制备h-BN纳米片的方法，属于纳米材料技术领域。
背景技术
二维材料(厚度在1nm到100nm之间)以其特有的性质(如机械力学性质、电学性质、热学性质)越来越受到人们的重视。商品级六方氮化硼作为石墨的等电子体，在结构和性质上最为接近，对于石墨烯的制备和性质研究已经非常深入，但对于单层或少层的h-BN的研究则处于起步阶段，目前越来越多的科研小组开始从事单层或少层h-BN纳米片的制备和性质研究。由于六方氮化硼的层与层之间除了范德华力，还有较强的离子键作用，使得剥离六方氮化硼难度比制备石墨烯的难度要大，这也是导致现有的制备石墨烯的方法无法用于制备少层六方氮化硼纳米片的重要原因。到目前为止，制备六方氮化硼纳米片的方法有机械剥离法(D.Pacile,J.C.Meyer,C.O.Girit,A.Zettl,Appl.Phys.Lett.2008,92,133107)，液相剥离法(J.N.Coleman,Science 2013,340,1226419)和气相沉积法(P.M.Ajayan,NanoLett.2010,10,3209)。机械剥离法产率相对较低，液相剥离法需要选择合适的溶剂且通常成本高，对环境有害，气相沉积法通常需要高于1000℃，而且实验原料有毒，实验过程难以控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有制备六方氮化硼纳米片制备技术存在的不足，提供一种操作简单、成本低的利用热膨胀和液氮气化制备少层二维六方氮化硼(h-BN)纳米片的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种利用液氮气化制备二维六方氮化硼纳米片的方法，包括以下步骤：
(1)将商品级六方氮化硼置于坩埚中，在高温炉中空气氛下加热到500～800℃，保持1～30分钟；
(2)快速取出热的步骤(1)得到的六方氮化硼，转移到装有液氮的反应瓶中，至液氮完全气化；
(3)将步骤(2)处理后的六方氮化硼再转移到高温炉中加热到500～800℃，保持1～30分钟；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)2～20次，即得到二维六方氮化硼纳米片。
步骤(1)中，所述的坩埚包括但不限于氧化铝坩埚、石英坩埚、瓷坩埚或碳化硅坩埚。
步骤(1)中，优选在高温炉中空气氛下加热到700～800℃，保持5～10分钟。
步骤(1)中，所述的商品级六方氮化硼，为径向尺寸为50～5000nm，厚度为>20nm。
步骤(2)中，所述的反应瓶包括但不限于杜瓦瓶或聚四氟乙烯瓶。
步骤(2)中，液氮与六方氮化硼的体积比为1：1～50，优选1:5～50。
步骤(3)中，优选在高温炉中加热到700～800℃，保持5～10分钟。
步骤(4)中，优选重复步骤(2)和步骤(3)3～10次。
步骤(4)中，得到二维六方氮化硼纳米片径向尺寸为5～500nm，厚度为<4nm,层数为10层以下。
有益效果：本发明采用液氮气化制备二维六方氮化硼纳米片的方法，利用高温六方氮化硼热膨胀和液氮剧烈气化剥离六方氮化硼，以此制备出六方氮化硼纳米片，操作简单，成本低，不需要复杂昂贵的仪器设备，不需要有毒的化学试剂，反应后产品易得，不需任何后处理,可以大批量工业生产。
附图说明
图1是实施例1制备的六方氮化硼纳米片的扫描电镜照片(a)和透射电镜照片(b)。
图2是实施例1制备的六方氮化硼纳米片的原子力显微镜照片和六方氮化硼纳米片厚度。左边图为纳米片的形貌图，右边A、B和C图为纳米片在左图中不同位置的厚度尺寸。
图3给出了实施例1制备的六方氮化硼纳米片的氮气吸附脱附等温线。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1：
一种利用液氮气化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)称量1g商品级六方氮化硼(h-BN，～1um尺寸)置于氧化铝坩埚中，再转移到高温炉中空气氛下加热到800℃，该温度下保持5分钟。
(2)将加热后的h-BN快速取出，迅速转移到装有液氮的杜瓦瓶(-196℃)中，液氮与h-BN的体积比为1：10，至液氮完全气化；
(3)将杜瓦瓶中的h-BN再转移到高温炉中加热到800℃，保持5分钟；
(4)重复步骤(2)和(3)10次，即得到h-BN纳米片，径向尺寸为5～500nm，层数为10层以下，厚度<4nm。
图1是本实施例制备的h-BN纳米片的扫描电镜和透射电镜照片。图1中SEM表示制备的h-BN纳米片的形貌和径向尺寸为5～500nm；TEM表示的h-BN纳米片阶梯状叠加说明h-BN被剥离，透明的结构说明少层结构。
图2是本实施例制备的h-BN纳米片的原子力显微镜照片和h-BN纳米片厚度。左边图为纳米片的形貌图，右边A,B和C图为纳米片在左图中不同位置的厚度尺寸。原子力显微镜照片和高度分布图说明h-BN纳米片厚度<4nm，层数<10层。
图3是本实施例制备的h-BN纳米片和原料h-BN的氮气吸附脱附等温线，说明制备的h-BN纳米片比表面积显著增加，是原料原料h-BN的27倍。
实施例2：
一种利用液氮气化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)称量1g商品级六方氮化硼(h-BN，50～1000nm尺寸)置于氧化铝坩埚中，再转移到高温炉中空气氛下加热到500℃，该温度下保持1分钟。
(2)将加热后的h-BN快速取出，迅速转移到装有液氮的杜瓦瓶(-196℃)中，液氮与h-BN的体积比为1：5，至液氮完全气化；
(3)将杜瓦瓶中的h-BN再转移到高温炉中加热到500℃，保持1分钟；
(4)重复步骤(2)和(3)3次，即得到h-BN纳米片，径向尺寸为5～500nm，层数为10层以下，厚度<4nm。
实施例3：
一种利用液氮气化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)称量1g商品级六方氮化硼(h-BN，～5um尺寸)置于氧化铝坩埚中，再转移到高温炉中空气氛下加热到600℃，该温度下保持30分钟。
(2)将加热后的h-BN快速取出，迅速转移到装有液氮的杜瓦瓶(-196℃)中，液氮与h-BN的体积比为1：50，至液氮完全气化；
(3)将杜瓦瓶中的h-BN再转移到高温炉中加热到600℃，保持30分钟；
(4)重复步骤(2)和(3)20次，即得到h-BN纳米片，径向尺寸为50～500nm，层数为10层以下，厚度<4nm。

Claims (10)

1.一种利用液氮气化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)将商品级六方氮化硼置于坩埚中，在高温炉中空气氛下加热到500～800℃，保持1～30分钟；
(2)快速取出热的步骤(1)得到的六方氮化硼，转移到装有液氮的反应瓶中，至液氮完全气化；
(3)将步骤(2)处理后的六方氮化硼再转移到高温炉中加热到500～800℃，保持1～30分钟；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)2～20次，即得到二维六方氮化硼纳米片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的商品级六方氮化硼，为径向尺寸50～5000nm，厚度为>20nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的坩埚为氧化铝坩埚、石英坩埚、瓷坩埚或碳化硅坩埚。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在高温炉中空气氛下加热到700～800℃，保持5～10分钟。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，液氮与六方氮化硼的体积比为1：1～50。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的反应瓶为杜瓦瓶或聚四氟乙烯瓶。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，液氮与六方氮化硼的体积比为1：1～50。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，在高温炉中加热到700～800℃，保持5～10分钟。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，重复步骤(2)和步骤(3)3～10次。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，得到二维六方氮化硼纳米片径向尺寸为5～500nm，层数为10层以下，厚度<4nm。
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