CN109437128A - 一种二维氮化硼纳米片的超临界制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种二维氮化硼纳米片的超临界制备方法。以氨基钠和硼氢化钠作为反应前驱体，加热进行反应得到三方氮化硼；用超临界流体剥离三方氮化硼，将产物超声分散并离心分离去除大体积的氮化硼颗粒，得到剥离好的二维氮化硼粉末。本发明所公开的方法中超临界二氧化碳易于控制、易于实现、可再次回收利用，可以对三方氮化硼插层和剥离，得到ABC方式排列的二维氮化硼纳米片，具备制备简单、成本低、易于工业化批量生产的特点。

Description

一种二维氮化硼纳米片的超临界制备方法
技术领域
本发明涉及二维氮化硼制备领域，尤其涉及一种超临界流体剥离三方氮化硼制备二维氮化硼纳米片的方法。
背景技术
二维氮化硼纳米片具有良好的润滑性、电绝缘性、耐化学腐蚀性、高热导率等，可用作润滑剂、耐火材料、抗氧化添加剂、绝缘材料、散热部件、热屏蔽材料、防止中子辐射的包装材料、耐高温电子器件材料和很有前途的声光电材料等。
六方氮化硼，每一层都是由B原子和N原子按照sp2杂化方式交替排列组成的无限延伸的六边形，这些原子层再沿C轴方向按照ABAB……方式排列，晶格常数a＝b＝0.25nm，c＝0.66nm，在同一层内，B和N原子之间靠共价键结合起来，层与层之间则以范德华力相结合。三方氮化硼属于三方晶系，它的结构和六方氮化硼非常相似，每一层同样是由B原子和N原子按照sp2杂化方式交替排列组成的无限延伸的六边形网格，区别是这些原子层在C轴方向上按照ABCABC……方式排列，晶格常数a＝b＝0.25nm，c＝1.00nm，在每一层内，B和N原子之间靠很强的共价键结合起来，层与层之间则以弱的范德华力相结合。剥离三方氮化硼和六方氮化硼形成的单原子层BN结构完全一样，剥离形成的少层二维氮化硼纳米片分别以AB和ABC方式排列。不同的堆叠方式意味着结构与性能的差异，参照石墨烯不同堆叠形式带来各种物化性质的改变，剥离三方氮化硼得到的ABC方式排列的二维氮化硼纳米片是一类区别于剥离六方氮化硼得到的AB方式排列的二维氮化硼纳米片的新材料。
发明内容
提出了一种二维氮化硼的制备方法，尤其涉及一种超临界流体剥离三方氮化硼制备二维氮化硼纳米片的方法。由于氮化硼结构中B原子与N原子的电负性差异使得原子层之间的作用力除范德华力外还带有部分离子键性质的作用力，被称作lip-lip作用，相比石墨烯而言，氮化硼的剥离难度更高。六方氮化硼与三方氮化硼结构类似，但是六方氮化硼更为常见，其AB堆叠方式使层间的B原子与N原子正对且交替出现，此种结构更为稳定，结合力更强。三方氮化硼层间的B原子与N原子没有一一正对，可理解为六方氮化硼的错位形式，这也就是三方氮化硼较为少见的原因，从能量角度分析，三方氮化硼片层更容易剥离开。
本发明采用如下技术方案：
一种二维氮化硼纳米片的超临界制备方法，包括如下步骤：
(1)以氨基钠和硼氢化钠作为反应前驱体，放入不锈钢反应釜中，加热进行反应，产物用无水乙醇、浓盐酸和去离子水清洗后，在真空烘箱里烘干备用；
(2)将三方氮化硼粉末和聚乙烯吡咯烷酮加入到无水乙醇和水的混合液中，超声分散后转移到超临界高压反应釜中，注入CO2进行超临界反应，将产物取出超声分散，离心分离去除大体积的氮化硼颗粒，将上清液烘干，得到剥离好的二维氮化硼粉末。
步骤(1)中的氨基钠和硼氢化钠的摩尔数比为3∶2。
步骤(1)中的加热以10℃/min的速率从室温升至550℃，在550℃维持20-24h。
步骤(2)中的三方氮化硼粉末和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1∶4。
步骤(2)中的超临界反应的温度为40℃，时间为2-10h。
步骤(2)中的离心转速为3000-4500r/min，离心时间为15-45min。
本发明具有如下优势：
(1)超临界二氧化碳具有无毒、含量丰富、易于控制、不可燃等性质，超临界状态易于实现，可以通过改变温度和压力来实现连续可控的调节，使用后可再次回收利用。超临界二氧化碳具有高扩散性，可以渗透进入三方氮化硼的层间并减弱层间的相互作用力，从而实现对三方氮化硼的插层和剥离。
(2)剥离三方氮化硼得到的ABC方式排列的二维氮化硼纳米片，不同于传统方法剥离六方氮化硼得到的AB方式排列的二维氮化硼纳米片，且片层更容易剥离开。
(3)具备制备简单、成本低、易于工业化批量生产的特点。
附图说明
图1为六方氮化硼晶体结构示意图。
图2为三方氮化硼晶体结构示意图。
图3为本发明方法制备二维氮化硼纳米片的透射电镜图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)将摩尔数比为3∶2的氨基钠和硼氢化钠放入不锈钢反应釜中。
(2)以10℃/min的速率从室温升至550℃，在550℃维持20h。
(3)产物用无水乙醇、浓盐酸和去离子水清洗后，在真空烘箱里烘干备用。
(4)将质量比为1∶4的三方氮化硼粉末和聚乙烯吡咯烷酮加入到无水乙醇和水的混合液中，超声分散后转移到超临界高压反应釜中。
(5)注入CO2进行超临界反应，温度为40℃，时间为4h。
(6)将产物取出超声分散2h，将分散液离心，转速为4500r/min，离心时间为15min。
(7)取出上清液，在80℃下烘干，得到二维氮化硼粉末。
图3包含本实施例制备二维氮化硼纳米片的透射电镜图。
实施例2
(1)将摩尔数比为3∶2的氨基钠和硼氢化钠放入不锈钢反应釜中。
(2)以10℃/min的速率从室温升至550℃，在550℃维持24h。
(3)产物用无水乙醇、浓盐酸和去离子水清洗后，在真空烘箱里烘干备用。
(4)将质量比为1∶4的三方氮化硼粉末和聚乙烯吡咯烷酮加入到无水乙醇和水的混合液中，超声分散后转移到超临界高压反应釜中。
(5)注入CO2进行超临界反应，温度为40℃，时间为4h。
(6)将产物取出超声分散2h，将分散液离心，转速为4500r/min，离心时间为15min。
(7)取出上清液，在80℃下烘干，得到二维氮化硼粉末。
实施例3
(1)将摩尔数比为3∶2的氨基钠和硼氢化钠放入不锈钢反应釜中。
(2)以10℃/min的速率从室温升至550℃，在550℃维持20h。
(3)产物用无水乙醇、浓盐酸和去离子水清洗后，在真空烘箱里烘干备用。
(4)将质量比为1∶4的三方氮化硼粉末和聚乙烯吡咯烷酮加入到无水乙醇和水的混合液中，超声分散后转移到超临界高压反应釜中。
(5)注入CO2进行超临界反应，温度为40℃，时间为8h。
(6)将产物取出超声分散2h，将分散液离心，转速为4500r/min，离心时间为15min。
(7)取出上清液，在80℃下烘干，得到二维氮化硼粉末。
实施例4
(1)将摩尔数比为3∶2的氨基钠和硼氢化钠放入不锈钢反应釜中。
(2)以10℃/min的速率从室温升至550℃，在550℃维持20h。
(3)产物用无水乙醇、浓盐酸和去离子水清洗后，在真空烘箱里烘干备用。
(4)将质量比为1∶4的三方氮化硼粉末和聚乙烯吡咯烷酮加入到无水乙醇和水的混合液中，超声分散后转移到超临界高压反应釜中。
(5)注入CO2进行超临界反应，温度为40℃，时间为4h。
(6)将产物取出超声分散2h，将分散液离心，转速为3000r/min，离心时间为45min。
(7)取出上清液，在80℃下烘干，得到二维氮化硼粉末。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.一种二维氮化硼纳米片的超临界制备方法，包括如下步骤：
(1)以氨基钠和硼氢化钠作为反应前驱体，放入不锈钢反应釜中，加热进行反应，产物用无水乙醇、浓盐酸和去离子水清洗后，在真空烘箱里烘干备用；
(2)将三方氮化硼粉末和聚乙烯吡咯烷酮加入到无水乙醇和水的混合液中，超声分散后转移到超临界高压反应釜中，注入CO2进行超临界反应，将产物取出超声分散，离心分离去除大体积的氮化硼颗粒，将上清液烘干，得到剥离好的二维氮化硼粉末。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的氨基钠和硼氢化钠的摩尔数比为3∶2。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的加热以10℃/min的速率从室温升至550℃，在550℃维持20-24h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的三方氮化硼粉末和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1∶4。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的超临界反应的温度为40℃，时间为2-10h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的离心转速为3000-4500r/min，离心时间为15-45min。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112209355A (zh) * 2020-09-05 2021-01-12 首都师范大学 一种超临界剥离制备超薄二维掺杂氮化碳纳米片的方法及其高效光催化分解水的应用

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