CN107089646A - 一种GaN纳米颗粒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GaN纳米颗粒的制备方法，该方法将硝酸镓和三聚氰胺的混合物依次在惰性气氛和空气气氛下高温焙烧，即可得到GaN纳米颗粒。本发明方法制备的GaN纳米颗粒纯度高，制备过程简单、容易操作，成本低廉，具有工业化应用前景。

Description

一种GaN纳米颗粒的制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种氮化镓(GaN)纳米颗粒的制备方法。
背景技术
GaN具有纤锌矿和闪锌矿两种结构，化学性质稳定，在室温下，GaN不溶于水、酸和碱。GaN熔点较高，约为1700℃，硬度较大，是一种良好的涂层保护材料。GaN禁带宽度高达3.39eV，热导率高、耐高温，耐高电压，适合用于制作大功率电子器件以及蓝、绿光和紫外光发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等光学器件。此外，GaN在工业催化领域有望用来替代或部分替代贵金属等，具有重要的应用前景。文献(Thermal Non-Oxidative Aromatizationof Light Alkanes Catalyzed by Gallium Nitride，2014，126，14330-14333)报道了GaN在无氧条件下通过催化热解将低碳烷烃(包括甲烷，丙烷，正丁烷，正己烷以及环己烷)脱氢芳构化合成苯，相对于报道的分子筛催化剂而言，GaN催化剂具有更高的反应活性和稳定性。
目前，已报到的GaN纳米颗粒的制备方法有溶剂热法、溶胶凝胶法、机械合成法、无机热熔法以及表面固态晶体反应法。溶剂热法采用苯作为溶剂，GaCl3作镓源，NaN3作氮源。操作时先将镓源溶于有机溶剂中，再将氮源加入后一起转移至高压釜中，加热高压釜至280～300℃反应10～12小时，制备出氮化镓纳米颗粒。溶剂热法耗时较短且操作简便。但是，制备过程需要使用的溶剂苯和NaN3有毒性，此外，NaN3受震动和刮擦后易爆炸而极不稳定。溶胶凝胶法一般需要先制备镓的配合物作为前驱体，前驱体再经过搅拌、冷却、焙烧以及高温氨化最后合成纳米氮化镓。该方法操作简便，产物纯度较高，且可以选择廉价、低毒甚至无毒的配体制备前驱体，但是，该方法制备GaN步骤繁琐，周期长，在氨化过程中，升温速率、氨气流速以及反应温度等因素会影响产物的最终形貌，继而影响其性能和应用。机械合成法通过在氨气中将Ga2O3与Li3N混合及机械化处理得到纳米GaN颗粒。但是，该方法因其使用的Li3N价格昂贵并且具有一定毒性从而不适合工业化生产。无机热熔法以Ga2O3作为镓源，NH4Cl作为氮源，过量金属镁粉作为还原剂，将三者混合均匀后装入高压釜中，马弗炉中650℃反应8小时，高压釜中的混合物经冷却、洗涤及干燥得到纳米GaN颗粒。该方法安全，但是反应中的操作需要在无水无氧环境下(如氮气填充的手套箱中)进行，制备成本高，条件苛刻。表面固相晶体反应法以CN2H2与Ga2O3作为前驱体，750℃下在安瓿瓶中反应。该方法合成过程简单，生成的GaN颗粒平均尺寸为40nm，但是，因其在反应过程中原料CN2H2分解释放出剧毒物质HCN，从而在很大程度上限制了该方法的进一步应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有GaN纳米颗粒制备方法存在的上述问题，提供一种操作简单、成本低廉、无毒无污染制备GaN纳米颗粒的方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：将硝酸镓和三聚氰胺按质量比为1:1～1:4充分研磨混合均匀后，先在惰性气氛下700～900℃焙烧1～4小时，然后在空气气氛中500～600℃焙烧1小时，冷却至室温，得到GaN纳米颗粒。
上述的硝酸镓和三聚氰胺的质量比优选为1:1～1:2。
上述制备方法中，优选先在惰性气氛下800～850℃焙烧1～2小时，然后在空气气氛中530～570℃焙烧1小时。
本发明所用原料易得，成本低廉，制备工艺简单，可操作性强，合成GaN纳米颗粒纯度高，具有工业化应用前景。
附图说明
图1是实施例1制备的GaN纳米颗粒的XRD谱图。
图2是实施例1制备的GaN纳米颗粒的SEM图。
图3是实施例2制备的GaN纳米颗粒的XRD谱图。
图4是实施例2制备的GaN纳米颗粒的SEM图。
图5是实施例2制备的GaN纳米颗粒的EDX谱图。
图6是实施例3制备的GaN纳米颗粒的XRD谱图。
图7是实施例3制备的GaN纳米颗粒的SEM图。
图8是实施例3制备的GaN纳米颗粒的FETEM谱图。
图9是图8的局部放大图。
图10是图9的局部放大图。
图11是实施例4制备的GaN纳米颗粒的XRD谱图。
图12是实施例5制备的GaN纳米颗粒的XRD谱图。
图13是实施例6制备的GaN纳米颗粒的XRD谱图。
图14是实施例7制备的GaN纳米颗粒的XRD谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
将1g硝酸镓和1g三聚氰胺充分研磨混合均匀后放入瓷舟中，在氮气气氛下800℃焙烧1小时，然后降温至550℃，并停止通氮气，在空气气氛中恒温焙烧1小时，自然冷却至室温，得到GaN纳米颗粒。
实施例2
将1g硝酸镓和2g三聚氰胺充分研磨混合均匀后放入瓷舟中，在氮气气氛下800℃焙烧1小时，然后降温至550℃，并停止通氮气，在空气气氛中恒温焙烧1小时，自然冷却至室温，得到GaN纳米颗粒。
实施例3
将1g硝酸镓和4g三聚氰胺充分研磨混合均匀后放入瓷舟中，在氮气气氛下800℃焙烧1小时，然后降温至600℃，并停止通氮气，在空气气氛中恒温焙烧1小时，自然冷却至室温，得到GaN纳米颗粒。
实施例4
将1g硝酸镓和4g三聚氰胺充分研磨混合均匀后放入瓷舟中，在氮气气氛下700℃焙烧1小时，然后降温至550℃，并停止通氮气，在空气气氛中恒温焙烧1小时，自然冷却至室温，得到GaN纳米颗粒。
实施例5
将1g硝酸镓和4g三聚氰胺充分研磨混合均匀后放入瓷舟中，在氮气气氛下900℃焙烧1小时，然后降温至500℃，并停止通氮气，在空气气氛中恒温焙烧1小时，自然冷却至室温，得到GaN纳米颗粒。
实施例6
将1g硝酸镓和4g三聚氰胺充分研磨混合均匀后放入瓷舟中，在氮气气氛下850℃焙烧2小时，然后降温至550℃，并停止通氮气，在空气气氛中恒温焙烧1小时，自然冷却至室温，得到GaN纳米颗粒。
实施例7
将1g硝酸镓和4g三聚氰胺充分研磨混合均匀后放入瓷舟中，在氮气气氛下800℃焙烧4小时，然后降温至550℃，并停止通氮气，在空气气氛中恒温焙烧1小时，自然冷却至室温，得到GaN纳米颗粒。
发明人采用X-射线衍射仪、冷场发射扫描电镜、场发射透射电子显微镜-EDX对实施例1～7制备的样品进行表征，结果见图1～14。由XRD图可见，在31.98°、33.80°、35.37°附近出现的谱峰分别归属为GaN的(100)、(002)、(101)晶面的特征衍射峰，表明样品为六方结构的GaN。TEM-EDX能谱中Ga和N信号进一步证明得到的产物为GaN。此外，从SEM和FETEM图中可以看到，制备出的GaN纳米颗粒尺寸均在10～30nm，并且从高分辨图中可以明显看到规整的GaN晶格条纹，表明其结晶度良好。

Claims (4)

1.一种GaN纳米颗粒的制备方法，其特征在于：将硝酸镓和三聚氰胺按质量比为1:1～1:4充分研磨混合均匀后，先在惰性气氛下700～900℃焙烧1～4小时，然后在空气气氛中500～600℃焙烧1小时，冷却至室温，得到GaN纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的GaN纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述的硝酸镓和三聚氰胺的质量比为1:1～1:2。
3.根据权利要求1或2所述的GaN纳米颗粒的制备方法，其特征在于：在惰性气氛下800～850℃焙烧1～2小时。
4.根据权利要求3所述的GaN纳米颗粒的制备方法，其特征在于：在空气气氛中530～570℃焙烧1小时。
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