[发明专利]一种氮化硼纳米管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备领域，具体的是涉及一种氮化硼纳米管的制备方法。

背景技术

氮化硼纳米管与纳米碳管具有相似的结构，1994年，Rubio等在理论上预测了氮化硼纳米管的存在，1995年Chopra等成功合成了氮化硼纳米管，从而拉开了氮化硼纳米管的研究序幕。氮化硼纳米管具有极好的化学稳定性和耐热性，理论和实验研究表明其为宽能隙半导体，且电学性能不受其纳米管直径和手性的影响。氮化硼纳米管还具有与纳米碳管相当的高韧性和高强度，可用于材料的增强、增韧和改性。氮化硼纳米管独特的性能使其在新材料、纳米半导体器件、能源材料和生物医药等诸多领域具有重要的应用价值。

近年来各国研究组在氮化硼纳米管制备方面取得了较快的进展。现在已经报道的制备氮化硼纳米管的方法有很多，主要分为四类，其一是高温快速合成，如电弧法和激光法。最近美国宇航局有报道通过利用高能激光在氮气氛中烧蚀单质硼块，获得了高质量的、均匀的晶状氮化硼纳米管，每段纤维长度足够纺成容易使用的纤维线。其二是纳米碳管模板法，以纳米碳管为模板。其三是化学气相沉积法，适用于制备氮化硼纳米管薄膜。其四是化学合成法和机械球磨氨化法。

已有报道通过化学合成法和氨化方法制备氮化硼纳米管主要有两种途径：一种是直接利用含有硼元素的化合物以及含有催化剂金属的化合物反应备氮化硼纳米管，一般产率小，纯度低。另一种是通过球磨单质硼粉、含硼化合物和催化剂金属的原料，后再通过高温(900～1300℃)氨化反应(或与氮气反应)制备氮化硼纳米管。以上两种制备方法的不足之处是不利于大量制备氮化硼纳米管，且氮化硼纳米管纯度较低。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对上述现有技术的不足而提供一种气固相催化氨化法批量制备高纯度氮化硼纳米管的新工艺，该制备工艺简单，不需要外加催化剂，其采用含有Mg、Fe、B和O元素的无机多孔陶瓷材料，在氨化反应温度下具有良好的机械强度，其本身可以作为填料，也可合成原料和作为催化剂，有利于气固相氨化反应制备氮化硼纳米管。

本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：一种氮化硼纳米管的制备方法，其特征是将无机多孔陶瓷材料在800～1200℃下与氨气进行氨化反应5～24小时得到氮化硼纳米管粗产物，所述的无机多孔陶瓷材料中的元素摩尔比例为Mg∶Fe∶B∶O＝1∶(0.10～1.65)∶(0.33～1.95)∶(0.5～5)，再经过分离提纯即可得到氮化硼纳米管。

按上述方案，所述的无机多孔陶瓷材料的制备方法是将原料含硼化合物、含镁化合物和含铁化合物通过混合、压制成型和烧结得到无机多孔陶瓷材料，其中含硼化合物、含镁化合物和含铁化合物中B、Mg和Fe元素按摩尔配比为Mg∶Fe∶B＝1∶(0.10～1.65)∶(0.33～1.95)，所述的烧结工艺是常压烧结或自蔓延反应烧结，常压烧结温度为1000～1500℃，保温时间为1～60分钟；自蔓延反应烧结温度为600～850℃，保温时间为1～60分钟。

按上述方案，所述的含硼化合物为硼酸(H₃BO₃)、三氧化二硼(B₂O₃)、硼铁粉、硼镁铁矿(Mg，Fe)₂Fe[BO₃]O₂和硼镁石Mg₂[B₂O₄(OH)](OH)中的任意一种或多种的混合。

按上述方案，所述的含镁化合物为镁粉、氧化镁、氯化镁、氢氧化镁、碳酸镁、硼镁铁矿(Mg，Fe)₂Fe[BO₃]O₂和硼镁石Mg₂[B₂O₄(OH)](OH)中的任意一种或多种的混合。

按上述方案，所述的含铁化合物为氢氧化铁(Fe(OH)₃)、硝酸铁(Fe(NO₃)₃·9H₂O)、氧化铁(Fe₂O₃)、铁的硼酸盐和硼镁铁矿(Mg，Fe)₂Fe[BO₃]O₂中的任意一种或多种的混合。

按上述方案，所述的分离提纯步骤是首先将氮化硼纳米管粗产物浸泡在36～38wt.％盐酸中，于50～80℃下加热搅拌6～24小时，再经抽滤、水洗，所得的滤饼在80℃下真空干燥12～24小时。