CN111762763B - 利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米多孔材料领域,具体为一种利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法。以三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸为初始分子组元制备出超分子凝胶,选用水和叔丁醇作为溶剂,通过调节两种溶剂的配比使超分子凝胶的微观形貌从簇状演化为铺展状。超分子湿凝胶经过干燥之后在高温条件下可以转化为氮化硼气凝胶,继承了初始阶段形貌差别的氮化硼气凝胶最终可以呈现出不同的表观特征。本发明提供的方法不仅可以灵活地制备出具有不同微结构的氮化硼气凝胶,也涵盖了性能调控策略。整体工艺简便且易于重复,合成原料来源广泛且成本低廉,为氮化硼气凝胶的大规模制备和广泛应用提供了便利。
Description
技术领域
本发明涉及纳米多孔材料领域,具体为一种利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法。
背景技术
纳米材料的微观结构对于其性能及具体应用有着重要的影响。通过改变微观结构以实现性能调控吸引着各个领域研究者的目光。如何利用更加便捷的方法对材料的微结构进行调节,使其呈现出性能差异以适应不同的应用场景,是人们持久探索的课题。
氮化硼作为一种重要的无机组分,在多个领域有着广泛的应用。氮化硼纳米结构近年来也引起了人们日益增长的兴趣,但是由于制备上面临困难,该领域的发展受到了很大的限制。在之前的研究中,人们尝试利用化学气相沉积法实现了氮化硼纳米薄膜的制备,并通过改变温度等实验参数对其微观形貌进行调控(ACS Nano,2011,5,6507-6515;Langmuir,2013,29,7529-7533)。对于三维多孔氮化硼纳米材料而言,已有研究者通过模板沉积法制备出了具有不同微观形貌的样品(Sci.Rep.2015,5,10337;ACS Nano,2017,11,558-568)。然而,现有的方法成本过高,难以满足量产需要;同时,低效的微结构调控手段也不利于氮化硼纳米材料适应多样的应用场景。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法。通过改变超分子凝胶形成过程中所用的溶剂,使其呈现出不同的微观形貌,进而影响高温转化所得氮化硼气凝胶的微观结构。由于微观结构与材料宏观表现之间的依赖性,此处所得的氮化硼气凝胶呈现出了不同的表观特征,具体体现在孔结构和润湿性两方面。
本发明的技术方案如下:
一种利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,通过改变超分子凝胶形成过程中所用的溶剂,使其呈现出不同的微观形貌,进而影响高温转化所得氮化硼气凝胶的微观结构,使最终的氮化硼气凝胶展现出不同的表观特征,具体步骤如下:
1)超分子凝胶的制备:将三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸按摩尔比1:1:2~1:1:8在70~100℃条件下溶解于不同配比的溶剂中并搅拌0.1~10小时形成溶液,随后将上述溶液倒入容器中,冷却至室温形成超分子凝胶;按体积百分比计,溶剂的组成为:叔丁醇0%~80%,水余量;
2)超分子凝胶的干燥:将步骤1)中得到的超分子凝胶在-5~-50℃条件下冷冻8~48小时,之后在真空环境下进行干燥处理;
3)超分子凝胶的高温处理:将步骤2)中得到的超分子凝胶放入气氛炉中,在1000℃~1800℃条件下保温1~8小时,最终得到具有不同微观形貌的氮化硼气凝胶。
所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,通过改变溶剂的配比,使超分子凝胶的微观形貌在簇状结构和铺展状结构之间发生可逆转变,进而影响最终转化所得氮化硼气凝胶的孔结构和润湿性。
所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,氮化硼气凝胶能够继承步骤1)得到的超分子凝胶的形貌差别,其中:继承簇状结构的氮化硼气凝胶的比表面积在5~20m2/g,孔容在0.001~0.02cm3/g,对水的润湿角在120°~160°;继承铺展状结构的氮化硼气凝胶的比表面积在100~500m2/g,孔容在0.01~0.3cm3/g,对水的润湿角约为0°。
所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,优选的,继承簇状结构的氮化硼气凝胶的比表面积在10~20m2/g,孔容在0.01~0.02cm3/g,对水的润湿角在140°~160°;继承铺展状结构的氮化硼气凝胶的比表面积在300~500m2/g,孔容在0.1~0.3cm3/g,对水的润湿角约为0°。
所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,步骤1)中,所配制溶液的总浓度设定为20~50mg/ml。
所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,优选的,步骤1)中,三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸按摩尔比1:1:4~1:1:6在90~100℃条件下溶解于不同配比的溶剂中并搅拌1~5小时形成溶液,随后将上述溶液倒入容器中,冷却至室温形成超分子凝胶;按体积百分比计,溶剂的组成为:叔丁醇0%~40%,水余量。
所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,优选的,步骤2)中,在-10~-30℃条件下冷冻24~48小时。
所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,步骤3)中,超分子凝胶的高温处理阶段气氛炉所用的气氛为氩气或氮气。
所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,优选的,步骤3)中,在1300℃~1500℃条件下保温3~6小时。
本发明的设计思想如下:
三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸可以通过氢键作用在溶液中组装形成超分子凝胶,由于溶剂会对组装行为产生干扰作用,因而可以通过调节溶剂影响组装过程,使三种分子组元在不同的溶剂中组装形成的超分子凝胶具有不同的微观形貌。超分子湿凝胶在经过冷冻干燥和高温处理后,即可原位地转化为氮化硼气凝胶。如此,便可灵活地实现氮化硼气凝胶的微结构调控。由于材料的微观结构与表观特征关系密切,此方法同时也涵盖了氮化硼气凝胶的性能调控策略。
本发明以三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸为分子组元制备出超分子凝胶,选用水和叔丁醇作为溶剂,在固定分子组元初始摩尔比的情况下,仅通过调节组装过程所用两种溶剂的配比,就可以使超分子凝胶的微观形貌从簇状演化为铺展状。将具有不同微观形貌的超分子干凝胶进行高温处理之后,所得的氮化硼气凝胶能够继承初始组装阶段的形貌差别。与此同时,微观结构的不同进而影响了氮化硼气凝胶的表观特征,氮化硼气凝胶在孔结构和润湿性上也呈现出了差异,可以由疏水转变为亲水,比表面积和孔容也发生了变化。
本发明的优点及有益效果是:
1.本发明提供了一种利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,通过简单地调节溶剂比例便可灵活地实现氮化硼气凝胶的微结构调控。
2.本发明不仅能够实现氮化硼气凝胶的微结构调控,还同时涵盖了性能调控策略,所得的氮化硼气凝胶在润湿性和孔结构上均呈现出了差别,也为其他类型的性能调控提供了借鉴。
3.本发明所涉及的制备原料来源广泛且成本低廉,制备工艺简单环保且易于重复,为氮化硼气凝胶的大规模制备和广泛应用提供了便利。
附图说明
图1为利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的总体流程。
图2a~图2d为不同溶剂配比下所得的超分子凝胶的扫描照片。其中,图2a溶剂为100vol%纯水,图2b溶剂为90vol%水+10vol%叔丁醇,图2c溶剂为80vol%水+20vol%叔丁醇,图2d溶剂为70vol%水+30vol%叔丁醇。
图3a和图3b为具有不同微观形貌的氮化硼气凝胶的润湿效果图。其中,图3a溶剂为100vol%纯水,图3b溶剂为70vol%水+30vol%叔丁醇。
图4a和图4b为具有不同微观形貌的氮化硼气凝胶的氮气吸附测试结果。其中,图4a溶剂为100vol%纯水,图4b溶剂为70vol%水+30vol%叔丁醇。
具体实施方式
在具体实施过程中,图1展示了本发明的总体思想。本发明以三聚氰胺(M)、甲代三聚氰胺胺(M*)和硼酸(B)为初始分子组元制备出超分子凝胶,选用水和叔丁醇作为溶剂,通过调节两种溶剂的配比使超分子凝胶的微观形貌从簇状(溶剂为纯水)演化为铺展状(溶剂为水+叔丁醇),并且簇状与铺展状形貌之间可以可逆转换。将具有铺展状结构的超分子湿凝胶经过干燥过后再重新溶解于水中,可以得到具有簇状形貌的超分子凝胶;同理,将具有簇状形貌的超分子干凝胶溶解于水和叔丁醇的混合液中,可以得到具有铺展状结构的超分子凝胶。对具有不同微观形貌的超分子干凝胶进行高温处理,即可获得最终的氮化硼气凝胶。本发明通过改变超分子前躯体凝胶形成过程中所用的溶剂来调控超分子凝胶的微观形貌,进而影响高温转化所得氮化硼气凝胶的微结构,使其呈现出不同的表观特征。
下面,通过附图和实施例进一步描述本发明。
实施例
首先量取100ml去离子水加入玻璃烧杯,再按照1:1:6的摩尔比依次加入三聚氰胺(M)、甲代三聚氰胺(M*)和硼酸(B),使溶液的总浓度为30mg/ml,具体取三聚氰胺0.608g,取甲代三聚氰胺0.603g,取硼酸1.789g;接着将它们在85℃水浴条件下溶解并搅拌3小时,再倒入不同容器中于室温条件下冷却,进而可观察到溶液转变为白色的超分子凝胶;之后,将所生成的超分子湿凝胶在-25℃冷冻24小时,随即在真空环境下进行干燥处理;最后将干凝胶放到管式气氛炉中,在1400℃氩气环境中保温4小时,即可得到最终的氮化硼气凝胶。
在另一种情况下,选用水和叔丁醇的混合物作为溶剂,并逐渐改变两者的配比,使叔丁醇的百分比由10%增加到30%。具体实施时,首先分别量取90ml、80ml、70ml的去离子水加入不同烧杯中,随后按与之前相同的摩尔比(即M:M*:B=1:1:6)向每个烧杯中加入三聚氰胺(0.608g)、甲代三聚氰胺(0.603g)和硼酸(1.789g);接着在95℃水浴条件下搅拌1小时使溶质溶解,随即向以上烧杯中分别补加10ml、20ml、30ml叔丁醇,使烧杯中溶液的总浓度均为30mg/ml;待补加的叔丁醇和原始溶液混合均匀后,立刻把烧杯中的液体分装到不同容器中并于室温冷却;之后,将所得的白色超分子湿凝胶在-15℃条件下冷冻36小时,随即在真空条件下进行干燥处理;然后将干凝胶放到管式气氛炉中,在1400℃氩气环境中保温4小时,即可得到最终的氮化硼气凝胶。
如图2a所示,在以纯水作溶剂时,超分子凝胶的微观形貌为簇状结构。在以水和叔丁醇的混合物作为溶剂时,随着叔丁醇比例的增加,超分子凝胶的微观形貌逐渐由簇状演化为铺展状,如图2b~图2d所示。
实验显示:在以纯水作溶剂时,最终的氮化硼气凝胶可以浮于水面,其对于水的接触角约为151°,呈现出了超疏水的特点(图3a),此种样品的氮气吸附实验结果如图4a所示,分析可知,样品的比表面积为15m2/g,孔容为0.01cm3/g;在以70%的水和30%的叔丁醇作溶剂时,最终所得氮化硼气凝胶可以被水浸没,其对于水的接触角为0°,呈现出了超亲水的特点(图3b),这种情况下所得样品的比表面积为434m2/g,孔容为0.26cm3/g(图4b)。
实施例结果表明,本发明可以利用溶剂调控的方法便捷地改变氮化硼气凝胶的微观形貌,并使其呈现不同的表观特征。这种微结构调控的方法便于实施,且易于量产,不仅可以有效地调节氮化硼气凝胶的润湿性和孔结构,也为其他类型的性能调控提供了借鉴。
以上的内容详细描述了本发明优选的具体实施方式,但是本发明并不限于上述实施方案,在不脱离本发明构思的前提下,还可以结合具体情境对某些工序加以改变,例如可以改变分子组元的类型和摩尔比以及所配溶液的总浓度,可以进一步改变溶剂的配比,也可以改变高温处理过程中的保温时间、温度、气氛等实验参数。这些变化均落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,其特征在于,通过改变超分子凝胶形成过程中所用的溶剂,使其呈现出不同的微观形貌,进而影响高温转化所得氮化硼气凝胶的微观结构,使最终的氮化硼气凝胶展现出不同的表观特征,具体步骤如下:
1)超分子凝胶的制备:将三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸按摩尔比1:1:2~1:1:8在70~100℃ 条件下溶解于不同配比的溶剂中并搅拌0.1~10小时形成溶液,随后将上述溶液倒入容器中,冷却至室温形成超分子凝胶;按体积百分比计,溶剂的组成为:叔丁醇0%~80%,水余量;当溶剂为纯水时,超分子凝胶的微观形貌为簇状结构;当溶剂为水和叔丁醇时,超分子凝胶的微观形貌演化为铺展状结构;
2)超分子凝胶的干燥:将步骤1)中得到的超分子凝胶在-5~-50℃条件下冷冻8~48小时,之后在真空环境下进行干燥处理;
3)超分子凝胶的高温处理:将步骤2)中得到的超分子凝胶放入气氛炉中,在1000℃~1800℃条件下保温1~8小时,最终得到具有不同微观形貌的氮化硼气凝胶;
通过改变溶剂的配比,使超分子凝胶的微观形貌在簇状结构和铺展状结构之间发生可逆转变,进而影响最终转化所得氮化硼气凝胶的孔结构和润湿性;
氮化硼气凝胶能够继承步骤1)得到的超分子凝胶的形貌差别,其中:继承簇状结构的氮化硼气凝胶的比表面积在5~20 m2/g,孔容在0.001~0.02 cm3/g,对水的润湿角在120°~160°;继承铺展状结构的氮化硼气凝胶的比表面积在100~500 m2/g,孔容在0.01~0.3cm3/g,对水的润湿角约为0°。
2.按照权利要求1所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,其特征在于,继承簇状结构的氮化硼气凝胶的比表面积在10~20 m2/g,孔容在0.01~0.02 cm3/g,对水的润湿角在140°~160°;继承铺展状结构的氮化硼气凝胶的比表面积在300~500 m2/g,孔容在0.1~0.3 cm3/g,对水的润湿角约为0°。
3.按照权利要求1所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,其特征在于,步骤1)中,所配制溶液的总浓度设定为20~50mg/ml。
4.按照权利要求1或3所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,其特征在于,步骤1)中,三聚氰胺、甲代三聚氰胺和硼酸按摩尔比1:1:4~1:1:6在90~100℃ 条件下溶解于不同配比的溶剂中并搅拌1~5小时形成溶液,随后将上述溶液倒入容器中,冷却至室温形成超分子凝胶;按体积百分比计,溶剂的组成为:叔丁醇0%~40%,水余量。
5.按照权利要求1所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,其特征在于,步骤2)中,在-10~-30℃条件下冷冻24~48小时。
6.按照权利要求1所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,其特征在于,步骤3)中,超分子凝胶的高温处理阶段气氛炉所用的气氛为氩气或氮气。
7.按照权利要求1或6所述的利用溶剂诱导超分子形貌转变实现氮化硼气凝胶微结构调控的方法,其特征在于,步骤3)中,在1300℃~1500℃条件下保温3~6小时。
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