[发明专利]一种批量制备氮化硼纳米管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米材料领域，具体涉及一种批量制备氮化硼纳米管的制备方法。

背景技术

氮化硼纳米管类似于碳纳米管，可以看做是碳纳米管中的碳原子被硼和氮原子交替取代的产物。氮化硼纳米管不仅具有可以与碳纳米管相媲美的力学性能和热传导性能，而且还具有优异的抗氧化性、化学稳定性和热稳定性，这使得氮化硼纳米管成为理想的在结构材料，应用于纳米复合材料中。氮化硼纳米管为稳定的宽带隙材料，电学性能不随管径和手性改变，这相对于碳纳米管易变的电学性能而言，氮化硼纳米管在电子器件中的应用具有较大的优势。此外，氮化硼纳米管还具有较好的储氢性能，阴极射线发射性能和生物相容性，这些优点可使氮化硼纳米管在能源，场致发光和生物医用领域具有潜在的应用价值。

常用的氮化硼纳米管制备方法有电弧放电法，激光烧蚀法，模板法，机械球磨法，CVD以及热分解法等，但这些方法存在产率低，纯度低，制备温度高，成本高或者工艺复杂难以产业化等缺点，所得到的氮化硼纳米管形态各异缺陷也较多，这严重制约着氮化硼纳米管的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种产率高、纯度高、制备条件温和、成本低、工艺简单的氮化硼纳米管的制备方法，而且该制备方法易于放大，可以达到批量生产的目的。

本发明的技术方案是：一种批量制备氮化硼纳米管的方法，其特征在于：将硼源，过渡金属化合物以及碱土金属化合物充分混合，将混合物在氮气或氩气保护下加热至1000～1100℃，停止通入保护气体，开始通入氨气或者氮气与氢气的混合气体进行反应并继续加热至1200～1400℃，保温0.5～4小时，保温结束后停止气体的通入并将温度降至室温，得到白色粗产物，将粗产物在空气中加热至600℃后，经酸洗、干燥获得管径为50～300nm、长度可达100微米以上的氮化硼纳米管。

所述混合物包含的硼源中硼元素、过渡金属、碱土金属的摩尔比为1:0.01～0.09:0.03～0.27。

所述的硼源为硼粉或氧化硼或硼酸。

所述的过渡金属化合物为Fe或Co或Ni的氧化物或者氢氧化物。

所述的碱土金属化合物为Ca或Ba或Sr的氧化物或者氢氧化物。

所述的酸为盐酸。

该制备方法可能存在的反应举例如下（以B粉，氧化铁和氧化钙为例）：

2NH₃=N₂+3H₂

Fe₂O₃+3H₂=2Fe+3H₂O

N₂=2N^*

B+N^*=BN

反应过程如下：首先，氨气分解为活性的氮原子和氢气，氢气将Fe₂O₃还原为单质Fe，活性的氮原子和活性的B原子溶解在单质Fe中，随着温度的升高，B粉和活性N原子在单质Fe中的溶解至饱和并在表层析出BN膜，并逐渐包裹并抬升Fe颗粒，但由于Fe的液滴对于BN的润湿性较差，在包裹的过程中，熔融的Fe颗粒会逐渐下降并挣脱BN膜的包裹，而BN膜被逐渐推高，熔融的Fe颗粒与BN膜顶端逐渐分离，B和N原子继续溶解并析出，BN逐渐长高形成管状，在这一反应中，Fe₂O₃提供成核中心并加速氨气的分解，CaO提供位阻，使得形成的单质Fe颗粒均匀分布在CaO中，在高温下不会因聚集长大而失活，并且CaO可能还有活化B原子的功能。在氮化硼纳米管生长的过程中，有些Fe颗粒会因为来不及挣脱BN膜的包裹而滞留在纳米管中。所得的氮化硼纳米管有竹节状和圆柱状两种形貌。

本发明的有益效果在于：通过催化剂碱土金属的引入，可以在较低的温度下生长出大量管径为50～300nm、长度达到100微米以上、管身均匀光滑、形貌以竹节状为主并有少量圆柱状的氮化硼纳米管，该制备方法成本较低、原料来源广泛、制备过程简单、易于实现批量生产，产率可以达到85%以上、纯度大于85wt%，具有广泛的工业应用价值。

附图说明

图1为实施例1所制备的氮化硼纳米管的SEM照片。

图2为实施例1所制备的氮化硼纳米管的TEM照片。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步介绍本发明，但是实施例不会构成对本发明的限制。

实施例1