[发明专利]镁热还原制备氮化硼纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米材料领域，具体涉及一种采用镁热还原法制备氮化硼纳米管的方法。

背景技术

六方氮化硼和石墨是等电子体，具有极为相似的层状结构。同碳纳米管一样，氮化硼也可以形成相应管状纳米结构。氮化硼纳米管除了具有能和碳纳米管相媲美的高模量和高强韧性，还具有很好的化学稳定性和热稳定性。此外，氮化硼纳米管具有与碳纳米管截然不同的电学性能，表现为宽带隙的半导体(～5.5eV)，其电学性能与管径、螺旋度和管壁数目无关。氮化硼纳米管独有的特性使其在纳米半导体器件、纳米复相陶瓷、储氢材料等方面有着极具诱惑的应用前景，已经引起了国内外学者的广泛兴趣。

制备氮化硼纳米管的方法主要有电弧法、激光烧蚀法、前驱体热解法、碳纳米管模板法、球磨-退火法、化学气相沉积法等。虽然近年来在氮化硼纳米管制备方面取得了一些成功和进展，但是总的来看，还存在产量、产率较低、易带入杂质，产物结构和微观形貌尺寸难以控制等问题。化学气相沉积法是目前比较有效的制备大量氮化硼纳米管的方法，由于采用不同的起始物和反应工艺条件，所得产物具有不同的特点。如采用水或盐酸等含水体系作为氮化硼纳米管的生长促进剂，得到的纳米管尺寸跨度较大，通常为十几至二百纳米左右，且多为竹节状纳米管，而含水或酸的气体在高温下对反应容器和设备的损害很大，影响设备的使用寿命并导致制备成本提高；以氧化镁-氧化亚铁作为制备氮化硼纳米管的催化剂，采用一定的工艺可得到较高纯度、尺寸均匀的氮化硼纳米管，有实现大量生产的潜力，但此方法需要价格昂贵的高纯度硼粉作为硼源，而且采用化学性质极不稳定的氧化亚铁为催化剂，故制备成本较高。截止目前，具有高产量、高纯度、尺寸均匀的氮化硼纳米管的低成本制备方法仍在探索当中。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种产率高、纯度高、尺寸均匀，表面无明显缺陷且成本低廉的制备氮化硼纳米管的方法。

本发明所提供的方法是在氩气保护气氛中，以三氧化二硼为硼源，镁为还原剂，以氯化亚铁、硫酸亚铁或草酸亚铁中的一种为催化剂，氨气为氮源，制得氮化硼纳米管，具体步骤如下：

1)在氩气保护下，将氧化硼、镁和亚铁盐，按摩尔比1∶1～3∶0.01～0.1置于研钵中研磨混合后，过300目筛网；

2)将步骤1)中过筛后的混合物在氩气保护条件下加热，当温度达到900～1200℃时，停止通入氩气并通入氨气，待达到设定温度1200～1600℃时，恒温1～5小时；

3)恒温结束后降至室温，将所得产物用硝酸浸泡，除去含镁、铁的杂质，得到氮化硼纳米管。

其中，步骤1)中所述的亚铁盐为氯化亚铁、硫酸亚铁或草酸亚铁中的一种。

本发明的原理为在氩气保护条件下，金属镁将三氧化二硼还原为单质硼，并生成氧化镁；同时，亚铁盐分解得到氧化亚铁；在高温下，单质硼和氧化镁原位反应生成气态的氮化硼前驱体；在氧化亚铁的催化作用下，氮化硼前驱体与氨气反应生成氮化硼纳米管。

与现有技术相比较本发明具有以下有益效果：

本发明方法避免使用价格昂贵的高纯度硼粉为硼源，以及化学性质极不稳定的氧化亚铁为催化剂，因而制备成本相对低廉，制备工艺简单、重复性好，反应易于控制和放大，所得氮化硼纳米管产量大、易于提纯，尺寸均匀、微观结构无明显缺陷。

附图说明

图1为本发明所制备的氮化硼纳米管的扫描电镜照片。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明实施例中所使用的卧式管式炉的型号为CVD(G)06/45/1，扫描电镜型号为FEI nanoSEM 200。

实施例1

1)在氩气保护下，将氧化硼、镁和氯化亚铁按摩尔比1∶1∶0.1置于玛瑙研钵中充分研磨使反应物完全混合后，过300目筛网；

2)将步骤1)中过筛后的混合物装入三氧化二铝瓷舟并置于卧式管式炉的恒温区，通入50sccm氩气，开始升温，当温度达到900℃时，关闭氩气并通入50sccm氨气继续升温，待达到1200℃时，恒温5小时；

3)恒温结束时同时关闭进气口和排气口，随炉冷却至室温，瓷舟内产物为白色海绵状块体，富有弹性，用硝酸洗去含镁、铁的杂质后产物为均一的白色粉末，重量没有明显改变。

实施例2

1)在氩气保护下，将氧化硼、镁和硫酸亚铁按摩尔比1∶2∶0.05置于玛瑙研钵中充分研磨使反应物完全混合后，过300目筛网；