[发明专利]一种高产率、高比表面积氮化硼的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种高产率、高比表面积氮化硼的制备方法及应用。

背景技术

氮化硼是典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物，每一层均由硼原子和氮原子交替排列组成，层内由sp²杂化形成B-N共价键相连，层间靠范德华力结合，类似石墨的结构，素有“白色石墨”之称。氮化硼具有机械性能好、热导率高、耐热性好、热膨胀系数低、耐化学腐蚀等优点，可用于催化剂载体、电子器件的基底等。高比表面积氮化硼比普通氮化硼应用范围更广泛，可作为吸附剂、储氢材料、场致电子发射材料、过滤膜等。但现有制备高比表面积氮化硼的方法存在产率低、结晶性差等问题，难以规模化生产。

高比表面积氮化硼常规采用化学气相沉积法制备，将硼、氮源置于管式炉中，以N₂或NH₃作为反应气，在高温下反应生成高比表面积氮化硼，产率一般为15～90％，比表面积为27～1156m²/g，但存在氮化硼产率与比表面积不能同时兼顾的问题，当产率较高时，比表面积很低；当比表面积较高时，产率很低。澳大利亚迪肯大学2014年公开了一种高比表面积氮化硼的制备方法(Scientific Reports,2014,4,1)。使用尿素为氮源，三氧化二硼为硼源，利用NH₃为反应气，经化学气相沉积反应，制得低密度、高比表面积的氮化硼纳米材料。比表面积最高可达1156m²/g，产率约为15％。

近年来，已有很多利用不同方法合成高比表面积氮化硼的报道。大连理工大学采用硼酸为硼源，三聚氰胺为氮源，经高温焙烧制得氮化硼，产率可达75％，比表面积约为70～120m²/g(硅酸盐通报,2012,4,943)。

专利CN 104233454 A公开了一种合成高比表面积氮化硼的方法。该方法以氧化硼粉末和活性碳粉作为反应原料，利用N₂和/或NH₃作为反应气，在1400-1800的温度下经取代反应合成氮化硼。该方法产率约为30～50％，比表面积约为50～600m²/g。但反应温度高，能耗大，且氮化硼纯度不高。

总结上述制备方法，我们发现，以三聚氰胺为氮源时，C-N键中的C易被B取代，形成B-N结构，有利于提高氮化硼的产率，但比表面积往往较低；以尿素为氮源时，因其受热分解一方面提供反应气NH₃，一方面起造孔作用，得到氮化硼高比表面积较高，但产率较低。因此，制备兼具高产率、高比表面积的氮化硼仍是需要解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，以三聚氰胺和尿素为复合氮源，硼酸为硼源，经固相球磨和气相沉积反应制备高比表面积氮化硼。该方法可以解决现有方法制备高比表面积氮化硼产率低的问题。

本发明的技术方案：

一种高产率、高比表面积氮化硼的制备方法，步骤如下：

(a)前驱体预处理：将三聚氰胺、尿素以及硼酸混合，球磨，加入溶剂预处理，搅拌溶解至大部分溶剂挥发；其中，三聚氰胺和尿素中总氮原子与硼酸中硼原子的摩尔比为0.5:1～6:1，三聚氰胺与尿素的氮原子摩尔比为1:0.25～1:4，溶剂预处理后，溶剂残余量为初始溶剂量的5～9vol％；

(b)气相沉积反应：将步骤(a)得到的预处理后前驱体置于N₂或NH₃的气氛中，快速升温至950～1200℃，保温0.5～4h，即得高产率、高比表面积氮化硼。

所述的步骤(a)中溶剂为水、乙醇、甲醇或丙酮。

所述的步骤(b)中N₂或NH₃的流量为50～200mL/min。

本发明方法制备的氮化硼产率为60～90％，比表面积为351～634m²/g，其中产率的计算以硼酸中B原子完全反应计。

将制备的氮化硼用于CO₂吸附分离，结果显示，该氮化硼对CO₂有较好吸附效果。

将制备的氮化硼用于低碳烷烃临氧脱氢反应，结果显示：该氮化硼具有优异的氧化脱氢性能。

本发明的有益效果：本发明方法选用三聚氰胺和尿素为复合氮源，耦合两种氮源的优势；并通过调节预处理时溶剂残余量，控制反应条件，可制备得到结晶性好、高产率、高比表面积氮化硼。本发明方法反应条件温和、操作简单，有效避免了单一氮源制备氮化硼危险性高，产率与比表面积不能兼顾的问题。

附图说明