[发明专利]氧化钙掺杂的氮化硼气凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种氧化钙掺杂的氮化硼气凝胶及其制备方法与应用。所述氧化钙掺杂的氮化硼气凝胶的基本结构单元以微/纳米带为主，该微/纳米带由氮化硼及氧化钙组成，所述氧化钙与氮化硼以原子/分子尺度均匀分布在该微/纳米带中，该微/纳米带相互缠绕形成三维多孔网络结构。所述制备方法包括：将硼源、氮源小分子溶解于溶剂中，得到透明的氮化硼前驱体溶液；将氧化钙前驱体溶液与氮化硼前驱体溶液混合，经溶胶‑凝胶转变、干燥及高温退火处理，获得氧化钙掺杂的氮化硼气凝胶。本发明的氧化钙掺杂的氮化硼气凝胶能够在空气环境中耐1300℃高温，且保持结构、形貌及性能不变，且制备工艺简洁，反应条件温和，绿色无污染，可实现连续化生产。

技术领域

本发明涉及一种氧化钙掺杂的氮化硼气凝胶及其制备方法与应用，属于纳米能源技术领域。

背景技术

气凝胶是一种分散介质为气体的凝胶材料，是由胶体粒子或高聚物分子相互聚集成网络结构的纳米多孔性固体材料。自1932年，美国化学家Samuel Stephens Kistler首次利用超临界流体干燥技术制备得到“固体的烟”——氧化硅气凝胶以来，气凝胶作为材料家族的新成员受到人们的关注及研究。近一个世纪的发展，一系列的具有不同材质、结构及性能的气凝胶相继被合成，如各种烷氧基硅烷衍生的氧化硅气凝胶、金属氧化物气凝胶(TiO₂、Al₂O₃、ZrO₂等)、金属单质气凝胶(如金)、高分子气凝胶(聚苯胺、聚吡咯、聚酰亚胺等)、碳气凝胶及新型纳米碳气凝胶(石墨烯、碳纳米管等)、半导体硫化物气凝胶、碳化物气凝胶(碳化硅、钛碳化铝等)、天然高分子气凝胶(即纤维素和其他多糖和各种蛋白质)及氮化硼气凝胶等，极大的丰富了气凝胶的家族，扩展了气凝胶的研究领域及应用方向。

气凝胶一般通过溶胶-凝胶法在溶液中形成无序的、连续的胶质网络，随后采用特殊的干燥工艺(如超临界流体干燥)脱除凝胶网络中的溶液组分，同时维持凝胶网络不被破坏，进而得到具有无序、纳米级连续多孔网络的轻质固体材料。随着人们对气凝胶的不断研究，对于气凝胶的认识亦不断丰富，为制备得到可应用于不同场合的、具有不同组分与结构的气凝胶材料，一系列的组分、凝胶制备方法、干燥方法被引入到气凝胶的制备中，如组分调控：从单一组分发展到多元复合气凝胶、从单网络发展到多网络气凝胶；凝胶制备方法：从原来的单一溶胶-凝胶发展到多种结构单元经三维组装(自组装、冷冻结晶诱导组装等)而来的凝胶网络。而干燥方式作为重要的一环，被人们尤为关注，从早期的超临界，逐步发展了冷冻干燥机常压干燥等方法，并制备得到一系列具有超弹性的气凝胶，极大的扩展了气凝胶的种类、性能及应用。然而，目前气凝胶的机械性能仍存在巨大缺陷，其脆性、弱的机械强度及柔性有限，尤其是在宽稳定范围柔性维持性差等限制着气凝胶的应用领域。

氮化硼是由相同数量的氮原子和硼原子组成的晶体，与类似结构的碳晶格等电子。且目前发现氮化硼具有以下晶体结构：无序(a-BN)、错层(t-BN)、六方晶系(h-BN)、立方晶系(c-BN)、三方晶系(r-BN)以及纤锌矿系(w-BN)，其中h-BN、r-BN中的B和N原子以sp2杂化方式成键，c-BN、w-BN中的B和N原子以sp3杂化方式成键。在h-BN层内，硼原子和氮原子通过强烈的共价键结合，形成h-BN片，层间存在弱的范德华力，具有类似石墨的层状结构，是具有松散、轻质等形状的白色粉末，又常称之为“白石墨烯”。

h-BN具有良好的电绝缘性、高的热导率、优异的化学稳定性及优异的热稳定性、耐热耐腐蚀性，且无明显的熔点，其中在惰性氛围中，3000℃时出现熔融现象，在氮气/氩气氛围中的使用温度可高达2800℃，在中性的还原氛围中，可耐热达到2000℃，在氧气中，使用温度较低，一般低于1000℃。

氮化硼气凝胶兼具气凝胶与氮化硼的理化性质，是一种新型的非氧化物气凝胶，内部具有相互贯通的多孔网络，具有低密度、高孔隙率、高比表面积、可调的孔径范围、优异的热稳定性和化学稳定性、高的热导率以及电绝缘性，在气体吸附、催化、化学提纯、环境及热管理中的应用前景十分广阔。