RU2613996C1 - Способ получения покрытий из нанолистов нитрида бора - Google Patents

Способ получения покрытий из нанолистов нитрида бора Download PDF

Info

Publication number
RU2613996C1
RU2613996C1 RU2016107791A RU2016107791A RU2613996C1 RU 2613996 C1 RU2613996 C1 RU 2613996C1 RU 2016107791 A RU2016107791 A RU 2016107791A RU 2016107791 A RU2016107791 A RU 2016107791A RU 2613996 C1 RU2613996 C1 RU 2613996C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reaction mixture
boron nitride
thickness
nitride nanosheets
coating
Prior art date
Application number
RU2016107791A
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Владимирович Штанский
Андрей Трофимович Матвеев
Андрей Михайлович Ковальский
Константин Леонидович Фаерштейн
Александр Эдуардович Штейнман
Ирина Викторовна Сухорукова
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority to RU2016107791A priority Critical patent/RU2613996C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2613996C1 publication Critical patent/RU2613996C1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/064—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with boron
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009—Forming specific nanostructures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B35/00—Boron; Compounds thereof
    • C01B35/08—Compounds containing boron and nitrogen, phosphorus, oxygen, sulfur, selenium or tellurium
    • C01B35/14—Compounds containing boron and nitrogen, phosphorus, sulfur, selenium or tellurium
    • C01B35/146—Compounds containing boron and nitrogen, e.g. borazoles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/20—Particle morphology extending in two dimensions, e.g. plate-like
    • C01P2004/24—Nanoplates, i.e. plate-like particles with a thickness from 1-100 nanometer

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области получения покрытий, содержащих двумерные керамические структуры, а именно нанолисты гексагонального нитрида бора, имеющие толщину 1-10 нм и характерный линейный размер от 100 нм до 5 мкм, которые могут применяться в качестве носителя катализаторов, а также для придания поверхности гидрофобных свойств. Сущность изобретения состоит в том, что приготавливают реакционную смесь, состоящую из борной кислоты и катализатора, в качестве которого используют нитрат натрия, или калия, или магния, или стронция, взятых в количествах, обеспечивающих соотношение катионов B/Me в диапазоне 0,5-5, где Me=Na, или K, или Mg, или Sr, нанесение реакционной смеси на поверхность в виде слоя толщиной от 0,1 до 0,5 мм и термообработку в атмосфере аммиака при температуре в интервале от 900°C до 1100°C. Технический результат изобретения заключается в получении равномерных покрытий из нанолистов гексагонального нитрида бора на внутренних поверхностях, а также на поверхностях изделий сложной формы. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.

Description

Изобретение относится к области получения покрытий, содержащих двумерные керамические структуры, а именно нанолисты гексагонального нитрида бора, имеющие толщину в интервале от 1 до 10 нм и характерный линейный размер в интервале от 100 нм до 5 мкм. Эти покрытия могут применяться в качестве носителя для катализаторов, а также для придания поверхности гидрофобных свойств.
Известен способ получения аэрогеля нанолистов нитрида бора из аэрогеля графенов, основанный на карботермическом восстановлении оксида бора графенами и одновременном азотировании по реакции: B2O3+3C+N2→2BN+3CO [М. Rousseas, et. al. ACS Nano 7-10 (2013) 8540-8546]. В качестве стартового материала для синтеза используются аэрогели графенов (представляющие собой углеродные нанолисты) плотностью 60-150 мг/см3 с площадью удельной поверхности около 1200 м2/г. Для достижения высокой степени химической чистоты (>95% BN) и кристаллической упорядоченности конечного продукта в качестве оптимальных условий обработки аэрогеля графенов рекомендован интервал температур 1600-1800°C. Снижение температуры обработки способствует существенному снижению площади удельной поверхности аэрогеля нанолистов нитрида бора.
Недостатком способа является использование дорогого аэрогеля графенов и проведение процесса при высоких температурах, что требует специального высокотемпературного оборудования с контролируемой газовой атмосферой.
Известен способ получения покрытия из нанолистов гексагонального нитрида бора, выбранный в качестве прототипа, представляющий собой процесс осаждения из паровой фазы и состоящий в реакции паров летучих оксидов бора и аммиака на подложке при высокой температуре [A. Pakdel, et. al. ACS Nano 5-8 (2011) 6507-6515]. Процесс проводят в горизонтальной трубчатой печи. В качестве реакционной смеси, выделяющей летучий оксид бора, используются порошки бора (B), оксида магния (MgO), оксида железа II (FeO). Синтез проводится в протоке реакционного газа аммиака (NH3) при температуре в интервале 900-1200°C. В этом способе нанолисты нитрида бора образуются на обрабатываемой поверхности в результате газотранспортного процесса, при котором пары летучего оксида бора переносятся к обрабатываемой поверхности.
Недостатком этого способа является невозможность получения равномерного покрытия на внутренних поверхностях изделий, например в каналах керамических носителей катализаторов. Это связано с тем, что увеличивается турбулентность газовых потоков в каналах, что приводит к преимущественному осаждению материала в начале канала, в результате чего внутрь канала поступает обедненная реакционная паровая смесь.
Задачей настоящего изобретения является создание технологичного способа получения функциональных покрытий на основе наноструктурированных листов гексагонального нитрида бора, позволяющего наносить равномерные покрытия на внутренних поверхностях.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности синтеза получения функциональных покрытий наноструктурированных листов нитрида бора на внутренних поверхностях.
Технический результат достигается следующим образом.
Способ получения покрытия из нанолистов нитрида бора включает приготовление реакционной смеси, состоящей из борной кислоты и катализатора, в качестве которого используют нитрат натрия, или калия, или магния, или стронция, взятых в количествах, обеспечивающих соотношение катионов B/Me в диапазоне 0,5-5, где Me=Na, или K, или Mg, или Sr, нанесение реакционной смеси в виде слоя толщиной от 0,1 до 0,5 мм и термообработку в атмосфере аммиака.
Реакционную смесь готовят в виде раствора в дистиллированной воде.
Реакционную смесь наносят на поверхность из водного раствора.
Термообработку слоя реакционной смеси проводят при температуре в интервале от 900°C до 1100°C.
Сущность изобретения
Сущность изобретения состоит в том, что нанолисты нитрида бора растут из реакционной смеси из борной кислоты и катализатора (нитраты Na, или K, или Mg, или Sr) при ее термообработке в аммиаке при температуре от 900°C до 1100°C. Таким образом, нанолисты образуются на обрабатываемой поверхности в том месте, где нанесена реакционная смесь. Реакционная смесь наносится на обрабатываемую поверхность из водного раствора, что позволяет получить равномерный слой из реакционной смеси на внутренних поверхностях путем их смачивания, пропитывания или распыления раствора.
Борную кислоту и катализатор (нитрат Na, или K, или Mg, или Sr), взятые в мольном соотношении B/Me в интервале от 0,5 до 5, где Me=Na или K или Mg или Sr, растворяют в дистиллированной воде.
При использовании реакционных смесей с соотношением катионов B/Me<0,5 снижается количество нанолистов на обрабатываемой поверхности и возрастает количество примесных фаз (тугоплавкие бораты и оксиды соответствующих Me), что приводит к снижению качества получаемого покрытия.
При использовании реакционных смесей с соотношением катионов B/Me>5 также снижается общее количество синтезируемых нанолистов нитрида бора на единицу площади поверхности покрытия за счет уменьшения количества катализатора.
Реакционную смесь наносят на обрабатываемую поверхность из водного раствора в виде слоя толщиной от 0,1 до 0,5 мм. Для этого обрабатываемую поверхность окунают в раствор, или смачивают, или наносят на нее раствор путем распыления. После высыхания раствора на обрабатываемой поверхности образуется равномерный слой реакционной смеси. Толщина этого слоя подбирается в каждом случае эмпирически в зависимости от требуемой толщины покрытия из нанолистов нитрида бора, а также от материала поверхности изделия.
Наиболее оптимальная толщина реакционной смеси составляет 0,1-0,5 мм. Нанесение слоя реакционной смеси тоньше 0,1 мм может привести к нарушению его сплошности и в результате к образованию неравномерного покрытия из нанолистов нитрида бора.
При использовании слоя реакционной смеси толщиной 0,5 мм аммиак не успевает диффундировать вглубь реакционного слоя, что может привести к росту количества примесей в покрытии за счет непрореагировавшей реакционной смеси. Формирование покрытия проводят на поверхностях изделий, изготовленных из материалов, которые инертны к реакционным смесям и устойчивы к воздействию реакционного газа (NH3) при температурах термообработки.
Изделие с нанесенным слоем реакционной смеси помещают в реактор и нагревают до температуры синтеза в интервале 900-1100°. Нагрев изделия до температуры синтеза осуществляют в атмосфере инертного газа (Ar) со скоростью 5°C в минуту. При температуре синтеза в реактор напускают аммиак до давления в 1 атм и изделие выдерживают в течение времени, необходимого для максимально полного протекания реакции между реакционной смесью и аммиаком, но не менее 30 минут. При температуре синтеза менее 900°C возможно неполное реагирование реакционной смеси с аммиаком, что приводит к росту количества примесных фаз и, как следствие, к снижению качества покрытия. При температуре синтеза выше 1100°C эффективность получения покрытия не возрастает, поэтому применение термообработки при температурах выше 1100°C нецелесообразно из соображений энергосбережения. Кроме того, сокращается перечень материалов, на которые возможно нанесение покрытий в среде аммиака. Длительность термообработки выбирают экспериментально в зависимости от материала изделия, типа и морфологии поверхности, на которую наносится покрытие и температуры термообработки.
После термообработки реактор с изделием охлаждают до комнатной температуры, продувают воздухом и извлекают изделие. Толщина конечного покрытия зависит от состава и толщины слоя реакционной смеси, температуры термообработки и длительности проведения синтеза. Увеличению толщины покрытия способствует увеличение линейных размеров отдельных нанолистов, что достигается путем увеличения температуры и длительности термообработки.
Компоненты реакционной смеси - борная кислота B(OH)3 и катализаторы, представленные нитратами Na, или K, или Mg, или Sr, - являются распространенными и дешевыми реагентами по сравнению с порошками бора и оксида железа (II).
Таким образом, изобретение способствует повышению эффективности получения функциональных покрытий из нанолистов гексагонального нитрида бора за счет использования более дешевых реагентов, а также позволяет получать равномерные покрытия на поверхностях изделий сложной формы, включая внутренние поверхности и полости.
Примеры осуществления способа
Пример 1
Борную кислоту и нитрат натрия, взятые в количествах, соответствующих соотношению B/Na=2, растворили в дистиллированной воде, раствор упарили на воздухе для получения более густой консистенции, позволяющей нанести слой раствора толщиной 0,5 мм на поверхность подложки кремния. Подложку с нанесенным слоем реакционной смеси поместили в изотермическую зону трубчатой печи, печь вакуумировали до 10-2 мбар и напустили аргон. Затем печь нагрели до 1000°C, напустили аммиак до 1 атм, выдержали 60 минут и охладили. В результате термообработки на поверхности подложки образовалось покрытие белого цвета. Рентгенофазовый анализ показал, что покрытие состоит из гексагонального нитрида бора с примесью оксида бора в количестве до 15 вес. %. Исследования на сканирующем электронном микроскопе показали, что покрытие состоит из листов графеноподобного материала с толщиной отдельных листов 2-5 нм и линейными размерами 0,5-2 мкм. Результаты приведены в таблице.
Пример 2
Борную кислоту и нитрат магния (Mg(NO3)2×6H2O), взятые в количествах, соответствующих соотношению катионов B/Mg=1, растворили в дистиллированной воде. Полученным раствором смочили внешнюю и внутреннюю поверхности тигля из прессованной керамики BN высотой 20 мм, наружным диаметром 15 мм и внутренним диаметром 7 мм. После просушивания раствора на поверхности тигля был слой реакционной смеси толщиной 0,1 мм. Тигель поместили в изотермическую зону трубчатой печи. Термообработку проводили аналогично примеру 1, но при температуре 1100°C в течение 30 минут. В результате термообработки на внутренней и внешней поверхностях тигля образовалось покрытие белого цвета. Рентгенофазовый анализ показал, что покрытие состоит из гексагонального нитрида бора с примесью оксида бора в количестве до 5 вес. %. Исследования на сканирующем электронном микроскопе показали, что покрытие состоит из листов графеноподобного материала с толщиной отдельных листов 1-4 нм и линейными размерами 0,2-0,8 мкм. Результаты приведены в таблице.
В таблице приведены примеры использования изобретения с разными составами реакционной смеси, толщиной слоя реакционной смеси, температурой и временем термообработки, а также свойства получаемого при этом покрытия из нанолистов нитрида бора. Символ «+» означает, что покрытие хорошего качества, т.е. сплошное с высокой концентрацией нанолистов, которые имеют характерный линейный размер в интервале от 100 нм до 5 мкм. Символ «-» означает, что покрытие плохого качества, т.е. несплошное. Символ «+-» означает, что покрытие сплошное, но нанолисты имеют характерный линейный размер менее 100 нм. Такие покрытия могут применяться в качестве гидрофобных, но малоприменимы в качестве носителя катализатора, т.к. имеют небольшую удельную площадь поверхности, поэтому такие покрытия можно охарактеризовать как удовлетворительного качества.
Figure 00000001
Figure 00000002

Claims (4)

1. Способ получения покрытия из нанолистов нитрида бора, включающий приготовление реакционной смеси, состоящей из борной кислоты и катализатора, в качестве которого используют нитрат натрия или калия, или магния, или стронция, взятых в количествах, обеспечивающих соотношение катионов В/Ме в диапазоне 0,5-5, где Me=Na, или K, или Mg, или Sr, нанесение реакционной смеси в виде слоя толщиной от 0,1 до 0,5 мм и термообработку в атмосфере аммиака.
2. Способ по п. 1, в котором реакционную смесь готовят в виде раствора в дистиллированной воде.
3. Способ по п. 1, в котором реакционную смесь наносят на поверхность из водного раствора.
4. Способ по п. 1, в котором термообработку слоя реакционной смеси проводят при температуре в интервале от 900°С до 1100°С.
RU2016107791A 2016-03-03 2016-03-03 Способ получения покрытий из нанолистов нитрида бора RU2613996C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016107791A RU2613996C1 (ru) 2016-03-03 2016-03-03 Способ получения покрытий из нанолистов нитрида бора

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016107791A RU2613996C1 (ru) 2016-03-03 2016-03-03 Способ получения покрытий из нанолистов нитрида бора

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2613996C1 true RU2613996C1 (ru) 2017-03-22

Family

ID=58453259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016107791A RU2613996C1 (ru) 2016-03-03 2016-03-03 Способ получения покрытий из нанолистов нитрида бора

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2613996C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111717900A (zh) * 2020-07-06 2020-09-29 河北工业大学 一种功能化氮化硼纳米片的机械剥离方法
US11738414B2 (en) 2019-05-29 2023-08-29 Alfa Laval Corporate Ab Method for joining metal parts

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130323150A1 (en) * 2011-02-23 2013-12-05 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Method of forming high-quality hexagonal boron nitride nanosheet using multi component eutectic point system
WO2015200496A1 (en) * 2014-06-25 2015-12-30 The Regents Of The University Of California System and methods for fabricating boron nitride nanostructures

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130323150A1 (en) * 2011-02-23 2013-12-05 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Method of forming high-quality hexagonal boron nitride nanosheet using multi component eutectic point system
WO2015200496A1 (en) * 2014-06-25 2015-12-30 The Regents Of The University Of California System and methods for fabricating boron nitride nanostructures

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AMIR PAKDEL et al., Boron Nitride Nanosheet Coatings with Controllable Water Repellency, "ACS Nano", 2011, 5 (8), pp.6507-6515. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11738414B2 (en) 2019-05-29 2023-08-29 Alfa Laval Corporate Ab Method for joining metal parts
CN111717900A (zh) * 2020-07-06 2020-09-29 河北工业大学 一种功能化氮化硼纳米片的机械剥离方法
CN111717900B (zh) * 2020-07-06 2021-11-23 河北工业大学 一种功能化氮化硼纳米片的机械剥离方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lu et al. Growth of SiC nanorods at low temperature
Granados-Correa et al. Combustion synthesis process for the rapid preparation of high-purity SrO powders
US20190127222A1 (en) Boron Nitride Nanomaterial, and Preparation Method and Use Thereof
Zheng et al. Synthesis of boron nitride coatings on quartz fibers: Thickness control and mechanism research
Moussa et al. Hollow core@ mesoporous shell boron nitride nanopolyhedron-confined ammonia borane: A pure B–N–H composite for chemical hydrogen storage
CN100572264C (zh) 一种飞碟形纳米六方氮化硼粉末的制备方法
CN1413176A (zh) 312相材料的形成方法和烧结方法
Asgarian et al. The effect of different sources of porous carbon on the synthesis of nanostructured boron carbide by magnesiothermic reduction
CN109437203A (zh) 一种高纯一维SiC纳米材料的制备方法
RU2613996C1 (ru) Способ получения покрытий из нанолистов нитрида бора
CN108408698B (zh) 氧掺杂捆束状多孔氮化硼制备方法
CN105329883A (zh) 一种多孔石墨烯的制备方法
Lee et al. Preparation of nanometer AlN powders by combining spray pyrolysis with carbothermal reduction and nitridation
CN107161960B (zh) 一种高压气相制备氮化硼球形粉体的方法与装置
Xiang et al. Hydrothermal‐carbothermal synthesis of highly sinterable AlN nanopowders
Zhou et al. The Kirkendall effect towards oxynitride nanotubes with improved visible light driven conversion of CO 2 into CH 4
US20120063983A1 (en) Method for Synthesis of Boron Nitride Nanopowder
JP6745164B2 (ja) 窒化タンタル（Ｔａ３Ｎ５）の製造方法
RU2384522C1 (ru) Способ получения наночастиц оксида металла
KR101728517B1 (ko) 습식 혼합된 보헤마이트 슬러리를 이용한 질화알루미늄의 제조 방법
CN104071760A (zh) 一种多孔棒状六方氮化硼陶瓷材料的制备方法
CN105314609A (zh) 一种ain纳米粉体材料的制备方法
Lee et al. Fabrication of highly ordered, macroporous Na 2 W 4 O 13 arrays by spray pyrolysis using polystyrene colloidal crystals as templates
CN105776232B (zh) 一种片状Y2SiO5的制备方法
CN105984858B (zh) 自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜及其制备方法