1、低温制备多孔氮化硼纳米材料及其性能研究,主要内容,一、多孔材料简介 二、介孔氮化硼的合成，表征及其性能测试 三、网孔状氮化硼的制备 四、多孔氮化硼薄片的可控大量制备,一、多孔材料简介,多孔材料普遍存在于我们的周围，在结构、缓冲、减振、隔热、消音、过滤等方面发挥着重大的作用。 纳米材料作为一种新兴的材料，在电子、机械、化工、生物和医学等领域具有广泛的应用前景。 多孔纳米材料集纳米材料和多孔材料的优点于一身，其潜在的应用前景同样引起了广泛的关注。,1.1 多孔材料定义 是一类包含大量孔隙的材料，是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成孔径尺寸材料成分,微孔材
2、料 d2 nm,介孔材料 2 nmd50 nm,大孔材料 d50 nm,多孔金属材料,多孔陶瓷材料,多孔塑料,分类,1.2 多孔氮化硼材料,密度小 比表面积大 化学性质稳定 热导率高 抗氧化性能好 熔点高,催化剂载体 气体分子吸附材料 化学分离与提纯,1.3 多孔氮化硼纳米材料的制备方法,模板法 高温分解法 自组装法 简单化学合成法,二、介孔氮化硼的合成，表征及其性能测试,2.1 选题思路： 1.在高温环境下已经成功合成多孔氮化硼纳米材料，但是这种高能耗的产出模式不符合绿色低碳的环境保护要求，探索在低温下合成多孔氮化硼纳米材料，具有十分重要的意义。 2.模板法是合成多孔氮化硼纳米材料的主要方式
3、，但产物需经历复杂的后期处理。探索无模板法制备多孔氮化硼，有利于大幅度提高生产效率。 3.尿素具有较低的熔点(132.7 C )，分解温度也比较低，可以作为低温下合成氮化硼的氮源，而且其低廉的价格，也可以有效降低实验的成本。,2.2 实验方案,1.53g NaBH4,1.20g CO(NH2)2,灰色的初始产物,550 C,10 h,白色悬浊液,白色粉末,稀盐酸,去离子水,60 C干燥10 h,2.3 结果与讨论,图2.1. 产物的XRD图谱(a)和FTIR图谱(b),图 2.2. 产物的TEM形貌和EDPb）,图2.3. (a)产物的HRTEM形貌，(b)产物在700 C保温1.5 h后HR
4、TEM形貌，插图是晶格条纹图像，(c)TGA-DTA曲线,热稳定性分析,图 2.4.氮气吸附-脱吸等温线(a)和DFT孔径分布曲线(b) ）,氮气吸附性能分析,图2.5.多孔BN的FESEM图像(a)，相应的CL图像(b)和CL图谱(c),发光性能测试,2.4 机理分析,图2.6. 未处理的产物的XRD图谱,2CO(NH2)2 + NaBH4 = BN + NaCN + 2NH3 + CO2+ 3H2,1.CO(NH2)2分解成HCNO和NH3 2.HCNO与NaBH4生成硼烷和 NaCN 3.硼烷与NH3生成环硼氮烷 4.环硼氮烷分解生成氮化硼 副产物NaCN, NH3，H2和CO2 在形成
5、多孔BN的过程中充当模板的作用。,2.5 小结,通过NaBH4和 CO(NH2)2之间简单的反应，在550 C保温10 h，成功合成了多孔BN，产率为65 %。 得到的多孔BN，比表面积达到219 m2g-1，平均孔径分布在3.8 nm，具有良好的阴极发光性能，其微观形貌和结构具有很好的热稳定性，在800 C内具有很好的抗氧化性能。,三、网孔状氮化硼的制备,3.1 选题思路： 低温下利用简单的化学合成方法可以实现多孔纳米氮化硼的制备，硫脲和尿素具有相似的分子结构，使用硫脲取代尿素，是否可以同样能够得到多孔结构？硫脲作为含硫元素化合物，在反应的过程中可以对大分子环硼氮烷的交联起到一定的促进作用。
6、,3.2 实验方案,实验方案和制备介孔氮化硼类似，以硫脲作氮源与硼氢化钠反应。,图3.1. 产物的XRD图谱(a)和FTIR图谱(b),3.3 结果与讨论,图3.2. 产物的TEM(a，b，c)和HRTEM(d，e，f)图像。图(a)中的插图是相应的电子衍射图像，图(e)的插图是BN网孔边缘的晶格条纹相。,图3.3. 产物的TGA-DTA曲线,热稳定性分析,图3.4.氮气吸附-脱附等温线(a)和DFT孔径分布曲线(b),氮气吸附分析,图3.5. 网孔状BN的FESEM像(a)，相应的CL-SEM像(b)和CL图谱(c),发光性能测试,3.4 机理分析,图3.6. 未经处理初始产物的XRD图谱,
7、CS(NH2)2 + 2NaBH4 2BN + Na2S + C + 6H2,环硼氮烷分子在含硫化合物的作用下发生相互交联，分解后形成网状结构的氮化硼。,3.5 小结,在较低的温度下利用硫脲和硼氢化钠反应成功合成了网孔状BN，产率为80 %。硫脲的硫化作用促进了环硼氮烷分子的交联，对于形成网孔状的BN，起到了关键性的作用。 得到的网孔状的BN具有较大的比表面积220 m2g-1，优异的发光性能，良好的热稳定性能和抗氧化性。,四、多孔氮化硼薄片的可控大量制备,4.1 选题思路： 氨基硫脲作为一种含硫化合物，在反应中也可以起到促进大分子交联的作用，与尿素和硫脲相比，分子中氮原子的质量分数比较大，可
8、以提供更加充足的氮源，有利于提高氮化硼的产率。,4.2 实验方案,氨基硫脲与硼氢化钠反应的实验方案如下表,4.3 结果与讨论,温度对产物的影响,图4.1. 450 C，500 C，550 C和600 C保温10 h得到样品的XRD图谱,图4.2. 不同温度下得到产物的典型的HRTEM图像。(a和b)450 C，(c和d) 500 C，(e)550 C，(f)600 C。,图4.3. 550 C保温不同时间（(a) 0 h，(b) 2 h，(c)5 h ，(d) 10 h）得到产物的XRD图谱,保温时间对产物的影响,氮气吸附性能分析,图 4.4. 在不同温度下保温10 h得到多孔BN薄片的氮气吸
9、附-脱吸等温线，(a) 450 C，(b) 500 C ，(c) 550 C ，(d) 600 C。插图是相应的DFT孔径分布曲线。,热稳定性分析,图 4.5. 在550 C保温10 h得到多孔BN薄片的TGA-DTA曲线,4.4 机理分析,氨基硫脲分解产生的含硫化合物会促进环硼氮烷分子的相互交联，交联的环硼氮烷分子分解成具有多孔结构的BN。 氨基硫脲分子相比较于尿素分子，要多一个氨基，在氨基硫脲分子分解时会产生较多的氨气分子，当温度达到550 C ，产生的气体在高温和密闭的环境下，使反应釜内的压力升高，有利于反应的充分进行，得到更多的产物，从而提高产物的产量。,4.5 小结,以氨基硫脲和硼氢化钠作为反应物，在550-600 C保温10 h，成功制备多孔BN薄片，其产率达到90 %以上。 得到的多孔BN薄片具有较大的比表面积，良好的热稳定性和优异的抗氧化性能，这些优良的性能可以使多孔BN薄片适应苛刻的外界环境条件，充当催化剂载体或者化学分离的分子筛等。,
