[发明专利]一种在温和条件下制备β－BC2N纳米棒的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用有机溶剂作为碳源和反应媒介在低温低压条件下制备β-BC₂N纳米棒的方法，属于新型超硬材料制备技术领域。

背景技术

超硬材料的合成及其性质的研究，一直是凝聚态物理和材料科学研究的重点之一。自从Cohen M.L.发表在《科学》(Science.1993，261：307)上的文章提出从共价键的键能和分子体积得到共价材料的体弹性模量(B)与键长(d)的关系式以来，人们就预期新型的超硬材料将可能在B-C-N三元系相图中产生。近些年来，科学家们采用高温高压法成功的制备出立方硼碳氮(c-BCN)，并测得其硬度值为76GPa，高于已有的第二硬度物质立方氮化硼(c-BN)，和金刚石的硬度接近，可以作为用于高速切割和合金抛光的优质材料。另一方面，基于第一性原理理论计算的基础上，人们预测了硼碳氮化合物各种可能的结构和特性，结果显示在B-C-N三元系化合物中，具有正方结构的β-BC₂N相的能量最低，也就是说β-BC₂N化合物相对最为稳定，也最容易合成。理论运算结果还显示β-BC₂N的硬度达78GPa，能隙值约为1.87eV，是一种很好的超硬半导体材料。同时由于硼碳氮一维结构所体现出来的更优异的机械、电学性能和更高的抗氧化能力，使得β-BC₂N一维结构材料在力学、热学、光学等领域展现出极大的应用前景。

正是基于硼碳氮化合物的广阔应用前景，科学家们对硼碳氮化合物的合成进行了广泛和深入的研究，并取得了卓有成效的进展。主要包括高温高压法，化学气相沉积法、电弧法、等离子体辅助蒸发法等，但是这些制备方法要么需要比较昂贵的设备或比较苛刻的制备条件(如温度1000℃以上，压力达到GPa)，要么对产品的稳定性提出很高要求，不利于生产，因此，开发一种反应条件温和、操作简单、化学上易控制、能够低成本制备硼碳氮化合物的方法就具有重要的现实意义。自《科学》(Science.1998，281：246)和《材料化学》(Chem.Mater.2002，13：2457)上分别报道了Li Y.D.和Hao X.P.在相对较低的温度下采用溶剂热合成方法成功地制备出金刚石和立方氮化硼，由于结构上的相似性，使得溶剂热法低温合成β-BC₂N化合物成为合理可行，并在生产上易实现和掌握。

发明内容

本发明的目的是提供一种在温和条件下制备β-BC₂N纳米棒的方法，该方法克服了现有制备硼碳氮工艺存在的上述不足，降低了生产成本，为硼碳氮超硬材料的工业生产和广泛应用奠定了基础。

本发明在技术方案中，采用有机溶剂作为碳源和反应媒介，制备出棒形较直，晶化较好的β-BC₂N纳米棒：首先在氮气保护下，把分析纯的BBr₃，NaN₃以及经过蒸馏处理得到的无水乙腈加入到不锈钢反应釜中密封，然后在恒定温度下加热一段时间，令反应釜自然冷却到室温，取出产品，经洗涤，真空干燥，最终制备出硼碳氮纳米棒。

本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)将市售分析纯的乙腈溶剂在70～85℃下进行蒸馏处理，得到纯的无水乙腈，密封好，待用；

(2)在保护气体中，将市售分析纯的NaN₃质量百分比为12.46％～23.80％加入到步骤(1)得到的无水乙腈，所用无水乙腈的质量百分比为：45.48％～71.45％，搅拌10～30分钟，使之分散均匀，再加入液态BBr₃质量百分比为16.08％～30.71％，持续搅拌2～5分钟。把混合物转移到容积为15～50ml的不锈钢反应釜中，密封；

(3)将不锈钢反应釜置于坩锅炉中，在400～600℃下加热20～30h，然后使反应釜自然冷却到室温，取出产品。

(4)将产品依次用无水乙醇和蒸馏水洗涤3～5次，过滤，将所得的粉末置于真空干燥箱中60～100℃下真空干燥5～8h，即可得到含有微量氧缺陷的β-BC₂N纳米棒。