CN111320150A - 一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法 - Google Patents

一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法，将六方氮化硼粉末与溶剂按一定比例混合搅拌均匀，通过超声处理对氮化硼进行分散，促进盐离子的层间穿插，降低氮化硼的层间作用力；然后将分散液进行高温水热反应，利用高温膨胀诱发氮化硼纳米片的剥离；之后进行离心处理，取上清液进行抽滤并干燥，得到六方氮化硼纳米片。本发明所提供的方法过程简单、成本低，且使用的化学试剂无污染无腐蚀性，操作安全，得到的六方纳米氮化硼缺陷少、结构完整。

Description

一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米 片的方法
技术领域
本发明涉及一种制备六方氮化硼纳米片的方法，属于无机材料技术领域，具体地是一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法。
背景技术
六方氮化硼具有与石墨相同的六方晶型结构，且都为层状结构，俗称“白石墨”，具有良好的电绝缘性、导热性、热稳定性、抗腐蚀性和润滑性，由于其较宽的能及间隙(5～6eV)，是一种应用前景非常广泛的绝缘材料。
目前六方氮化硼纳米片的制备有剥离法(球磨法、胶带剥离法和液相剥离法等)和合成法(化学气相沉积法等)。相较于剥离法，化学合成法过程较繁琐，且成本较高，同时得益于剥离法在从天然石墨中剥离制备石墨烯中展现出的高效率，将其同样应用在制备六方氮化硼纳米片上也逐渐被探索出来。但与石墨烯相比，六方氮化硼相邻片层之间的作用力除了范德华力外还带有部分离子键的特征，导致六方氮化硼层间的作用力比石墨烯层间作用力要强很多，因此六方氮化硼纳米片的剥离相较于石墨烯有更大的难度。
剥离法主要包括机械剥离法、化学功能化剥离法和液相剥离法，机械剥离法制备方法较为简单，但是普遍产量较低，且所得六方氮化硼纳米片的尺寸和形貌不可控，具有一定的偶然性和局限性。化学功能化剥离法则需要注意使用化学药品时的规范操作，并需要对废料处理。液相剥离法需要使用特定的溶剂对氮化硼进行分散，然后借助外界作用力(通常为超声波作用力)破坏氮化硼纳米片的层间作用力，是目前最简便最常用的方法，但这种方法得到的氮化硼纳米片的产率和质量都普遍较低。因此，在保证安全的情况下，寻找到一种能高效生产质量达标的六方氮化硼纳米片的制备工艺技术仍是研究的难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、工艺简单、操作安全、无污染的制备六方氮化硼纳米片的方法，克服目前制备方法中的一些不足，有效提高六方氮化硼纳米片的产量和质量。
一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法，特征在于，该利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法具体步骤如下：
(1)将微米级块状六方氮化硼倒入水与异丙醇的混合溶剂中，加入碱金属盐混合均匀；
(2)将步骤(1)中所得溶液进行超声处理，使氮化硼在混合液中分散均匀，促进盐离子的层间穿插，降低氮化硼片层间的作用力；
(3)将步骤(2)中所得溶液进行高温水热反应，诱发氮化硼的层间膨胀并进行剥离；
(4)将步骤(3)中所得溶液进行离心处理，去除未被剥离的氮化硼沉淀；
(5)将步骤(4)中所得溶液取其上层清液，用去离子水洗净后真空抽滤去除盐杂质后得到反应产物，将其真空干燥后得到六方氮化硼纳米片。
优选的，步骤(1)中，六方氮化硼的平均粒径为10μm。
优选的，步骤(1)中，混合溶剂中水和异丙醇体积比为任意比例，优选为3：2。
优选的，步骤(1)中，六方氮化硼与混合溶剂的质量与体积比为1g：100ml，六方氮化硼与碱金属盐的质量比为1g：1g。
优选的，步骤(1)中，碱金属盐为柠檬酸钠或柠檬酸钾或柠檬酸锂。
优选的，步骤(2)中，将混合分散液置于超声清洗机中进行超声处理6h，超声功率为200W，频率为40kHz。
优选的，步骤(3)中，将超声处理后的分散液倒入水热反应釜中，在180℃反应12h。
优选的，步骤(4)中，离心处理的离心速率为1000rpm，离心时间为5min，重复离心次数至少为3次。
优选的，步骤(5)中，用去离子水真空抽滤洗去杂质的次数至少为3次，所得产物在60℃下真空干燥12h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所提供的方法过程简单、成本低，且使用的化学试剂无污染无腐蚀性，操作安全，得到的六方纳米氮化硼缺陷少、结构完整。
附图说明
图1为未剥离的六方氮化硼在异丙醇中分散液(左)与剥离后的六方氮化硼纳米片在异丙醇中分散液(右)的照片(均静置两周后)。
图2为图1两瓶分散液的丁达尔现象对比照片。
图3为本发明实施例1所制备的六方氮化硼纳米片的扫描电子显微镜图。
图4为本发明实施例1所制备的六方氮化硼纳米片的透射电子显微镜图。
图5为本发明实施例2所制备的六方氮化硼纳米片的扫描电子显微镜图。
图6为本发明实施例2所制备的六方氮化硼纳米片的透射电子显微镜图。
图7为本发明实施例3所制备的六方氮化硼纳米片的扫描电子显微镜图。
图8为本发明实施例3所制备的六方氮化硼纳米片的透射电子显微镜图。
图9为本发明实施例4所制备的六方氮化硼纳米片的扫描电子显微镜图。
图10为本发明实施例4所制备的六方氮化硼纳米片的透射电子显微镜图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法，该方法包括以下过程和步骤：
将六方氮化硼粉末与溶剂按一定比例混合搅拌均匀，通过超声处理对氮化硼进行分散，促进盐离子的层间穿插，降低氮化硼的层间作用力；然后将分散液进行高温水热反应，利用高温膨胀诱发氮化硼纳米片的剥离；之后进行离心处理，取上清液进行抽滤并干燥，得到六方氮化硼纳米片。
实施例1：
(1)配置60mL去离子水和40mL异丙醇的混合溶液作为分散剂；
(2)将1g六方氮化硼粉末加入步骤(1)中所得混合溶液，充分搅拌使氮化硼分散均匀；
(3)将步骤(2)所得分散液置于超声清洗机中进行超声处理6h，
(4)将步骤(3)所得分散液倒入水热反应釜中在180℃下进行高温水热反应；
(5)将步骤(4)所得分散液进行相同的离心处理3次，离心速率为1000rpm，离心时间为5min。
(6)取步骤(5)的上清液用大量去离子水进行真空抽滤3次，除去盐分杂质；
(7)将步骤(6)所得产物在60℃真空干燥12h后得到六方氮化硼纳米片；
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，唯一不同之处在于添加1g柠檬酸锂溶于步骤(2)中分散液。
实施例3：
本实施例与实施例1基本相同，唯一不同之处在于添加1g柠檬酸钾溶于步骤(2)中分散液。
实施例4：
本实施例与实施例1基本相同，唯一不同之处在于添加1g柠檬酸钠溶于步骤(2)中分散液。
由扫描电镜和透射电镜对各个实施例进行比较可以看出，加入碱金属盐后对氮化硼的剥离效果作用明显，氮化硼纳米片呈现出弯曲和折叠的外观；而不加碱金属盐剥离得到的氮化硼纳米片聚集明显，而且厚度明显较厚。比较实施例2、3和4的电镜图片，可以看出柠檬酸锂对氮化硼剥离的促进作用最佳，其氮化硼纳米片的折叠感更明显，且片层的透明度更强。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法，特征在于，该利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法具体步骤如下：
(1)将微米级块状六方氮化硼倒入水与异丙醇的混合溶剂中，加入碱金属盐混合均匀；
(2)将步骤(1)中所得溶液进行超声处理，使氮化硼在混合液中分散均匀，促进盐离子的层间穿插，降低氮化硼片层间的作用力；
(3)将步骤(2)中所得溶液进行高温水热反应，诱发氮化硼的层间膨胀并进行剥离；
(4)将步骤(3)中所得溶液进行离心处理，去除未被剥离的氮化硼沉淀；
(5)将步骤(4)中所得溶液取其上层清液，用去离子水洗净后真空抽滤去除盐杂质后得到反应产物，将其真空干燥后得到六方氮化硼纳米片。
2.根据权利要求1所述的一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法，其特征在于，步骤(1)中，六方氮化硼的平均粒径为10μm。
3.根据权利要求1所述的一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法，其特征在于，步骤(1)中，混合溶剂中水和异丙醇体积比为任意比例，优选为3：2。
4.根据权利要求1所述的一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法，其特征在于，步骤(1)中，六方氮化硼与混合溶剂的质量与体积比为1g：100ml，六方氮化硼与碱金属盐的质量比为1g：1g。
5.根据权利要求1所述的一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法，其特征在于，步骤(1)中，碱金属盐为柠檬酸钠或柠檬酸钾或柠檬酸锂。
6.根据权利要求1所述的一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法，其特征在于，步骤(2)中，将混合分散液置于超声清洗机中进行超声处理6h，超声功率为200W，频率为40kHz。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(3)中，将超声处理后的分散液倒入水热反应釜中，在180℃反应12h。
8.根据权利要求1所述的一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法，其特征在于，步骤(4)中，离心处理的离心速率为1000rpm，离心时间为5min，重复离心次数至少为3次。
9.根据权利要求1所述的一种利用碱金属盐的离子插入超声剥离制备六方氮化硼纳米片的方法，其特征在于，步骤(5)中，用去离子水真空抽滤洗去杂质的次数至少为3次，所得产物在60℃下真空干燥12h。
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