專利名稱：鎂熱還原制備氮化硼納米管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)納米材料領(lǐng)域，具體涉及一種采用鎂熱還原法制 備氮化硼納米管的方法。
背景技術(shù)：
六方氮化硼和石墨是等電子體，具有極為相似的層狀結(jié)構(gòu)。同碳 納米管一樣，氮化硼也可以形成相應(yīng)管狀納米結(jié)構(gòu)。氮化硼納米管除 了具有能和碳納米管相媲美的高模量和高強(qiáng)韌性，還具有很好的化學(xué)
穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。此外，氮化硼納米管具有與^i內(nèi)米管截然不同的
電學(xué)性能，表現(xiàn)為寬帶隙的半導(dǎo)體(-5. 5eV)，其電學(xué)性能與管徑、 螺旋度和管壁數(shù)目無(wú)關(guān)。氮化硼納米管獨(dú)有的特性使其在納米半導(dǎo)體 器件、納米復(fù)相陶瓷、儲(chǔ)氫材料等方面有著極具誘惑的應(yīng)用前景，已 經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣。
制備氮化硼納米管的方法主要有電弧法、激光燒蝕法、前驅(qū)體熱 解法、碳納米管模板法、球磨-退火法、化學(xué)氣相沉積法等。雖然近 年來(lái)在氮化硼納米管制備方面取得了 一些成功和進(jìn)展，但是總的來(lái) 看，還存在產(chǎn)量、產(chǎn)率較低、易帶入雜質(zhì)，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和微觀形貌尺寸 難以控制等問(wèn)題?；瘜W(xué)氣相沉積法是目前比較有效的制備大量氮化硼 納米管的方法，由于采用不同的起始物和反應(yīng)工藝條件，所得產(chǎn)物具 有不同的特點(diǎn)。如采用水或鹽酸等含水體系作為氮化硼納米管的生長(zhǎng) 促進(jìn)劑，得到的納米管尺寸跨度較大，通常為十幾至二百納米左右， 且多為竹節(jié)狀納米管，而含水或酸的氣體在高溫下對(duì)反應(yīng)容器和設(shè)備 的損害很大，影響設(shè)備的使用壽命并導(dǎo)致制備成本提高；以氧化鎂-
氧化亞鐵作為制備氮化硼納米管的催化劑，采用一定的工藝可得到較
高純度、尺寸均勻的氮化硼納米管，有實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)的潛力，但此方 法需要價(jià)格昂貴的高純度硼粉作為硼源，而且采用化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定 的氧化亞鐵為催化劑，故制備成本較高。截止目前，具有高產(chǎn)量、高 純度、尺寸均勻的氮化硼納米管的低成本制備方法仍在探索當(dāng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，而提供一種產(chǎn)率高、 純度高、尺寸均勻，表面無(wú)明顯缺陷且成本低廉的制備氮化硼納米管 的方法。
本發(fā)明所提供的方法是在氬氣保護(hù)氣氛中，以三氧化二硼為硼 源，鎂為還原劑，以氯化亞鐵、硫酸亞鐵或草酸亞鐵中的一種為催化
劑，氨氣為氮源，制得氮化硼納米管，具體步驟如下
1) 在氬氣保護(hù)下，將氧化硼、鎂和亞鐵鹽，按摩爾比1:1-3 :0. 01 ~ 0. 1置于研缽中研磨混合后，過(guò)300目篩網(wǎng)；
2) 將步驟1)中過(guò)篩后的混合物在氬氣保護(hù)條件下加熱，當(dāng)溫 度達(dá)到900 1200。C時(shí)，停止通入氬氣并通入氨氣，待達(dá)到設(shè)定溫度 1200 ~ 1600。C時(shí)，恒溫l-5小時(shí)；
3) 恒溫結(jié)束后降至室溫，將所得產(chǎn)物用硝酸浸泡，除去含鎂、 鐵的雜質(zhì)，得到氮化硼納米管。
其中，步驟l)中所述的亞鐵鹽為氯化亞鐵、硫酸亞鐵或草酸亞 鐵中的一種。
本發(fā)明的原理為在氬氣保護(hù)條件下，金屬^:將三氧化二硼還原為 單質(zhì)硼，并生成氧化鎂；同時(shí)，亞鐵鹽分解得到氧化亞鐵；在高溫下， 單質(zhì)硼和氧化鎂原位反應(yīng)生成氣態(tài)的氮化硼前驅(qū)體；在氧化亞鐵的催 化作用下，氮化硼前驅(qū)體與氨氣反應(yīng)生成氮化硼納米管。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較本發(fā)明具有以下有益效果 本發(fā)明方法避免使用價(jià)格昂貴的高純度硼粉為硼源，以及化學(xué)性 質(zhì)極不穩(wěn)定的氧化亞鐵為催化劑，因而制備成本相對(duì)低廉，制備工藝 簡(jiǎn)單、重復(fù)性好，反應(yīng)易于控制和放大，所得氮化硼納米管產(chǎn)量大、 易于提純，尺寸均勻、微觀結(jié)構(gòu)無(wú)明顯缺陷。


圖1為本發(fā)明所制備的氮化硼納米管的掃描電鏡照片。 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例中所使用的臥式管式爐的型號(hào)為CVD(G) 06/45/1， 掃描電《竟型號(hào)為FEI nanoSEM 200。 實(shí)施例1
1) 在氬氣保護(hù)下，將氧化硼、鎂和氯化亞鐵按摩爾比1 : 1 : 0. 1 置于瑪瑙研體中充分研磨使反應(yīng)物完全混合后，過(guò)300目篩網(wǎng)；
2) 將步驟1)中過(guò)篩后的混合物裝入三氧化二鋁瓷舟并置于臥 式管式爐的恒溫區(qū)，通入50sccm氬氣，開(kāi)始升溫，當(dāng)溫度達(dá)到900 。C時(shí)，關(guān)閉氬氣并通入50sccm氨氣繼續(xù)升溫，；降達(dá)到120(TC時(shí)，恒 溫5小時(shí)；
3) 恒溫結(jié)束時(shí)同時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣口和排氣口，隨爐冷卻至室溫，瓷 舟內(nèi)產(chǎn)物為白色海綿狀塊體，富有彈性，用硝酸洗去含4美、鐵的雜質(zhì) 后產(chǎn)物為均一的白色粉末，重量沒(méi)有明顯改變。
實(shí)施例2
1 )在氬氣保護(hù)下，將氧化硼、鎂和硫酸亞鐵按摩爾比1 : 2 : 0. 05 置于瑪瑙研缽中充分研磨使反應(yīng)物完全混合后，過(guò)300目篩網(wǎng)；
2)將步驟1)中過(guò)篩后的混合物裝入三氧化二鋁瓷舟并置于臥 式管式爐的恒溫區(qū)，通入100sccm氬氣，開(kāi)始升溫，當(dāng)溫度達(dá)到1100
。C時(shí)，關(guān)閉氬氣并通入100sccm氨氣繼續(xù)升溫，待達(dá)到1400。C時(shí)， 恒溫2小時(shí)；
3)恒溫結(jié)束時(shí)同時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣口和排氣口，隨爐冷卻至室溫，瓷 舟內(nèi)產(chǎn)物為白色海綿狀塊體，富有彈性，用硝酸洗去含鎂、鐵的雜質(zhì) 后產(chǎn)物為均一的白色粉末，重量沒(méi)有明顯改變。
實(shí)施例3
1 )在氬氣保護(hù)下，將氧化硼、鎂和草酸亞鐵按摩爾比1 : 3 : 0. 01 置于瑪瑙研體中充分研磨使反應(yīng)物完全混合后，過(guò)300目篩網(wǎng)；
2) 將步驟1)中過(guò)篩后的混合物裝入三氧化二鋁瓷舟并置于臥 式管式爐的恒溫區(qū)，通入200sccm氬氣，開(kāi)始升溫，當(dāng)溫度達(dá)到1200 。C時(shí)，關(guān)閉氬氣并通入200sccm氨氣繼續(xù)升溫，待達(dá)到160(TC時(shí)， 恒溫1小時(shí)；
3) 恒溫結(jié)束時(shí)同時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣口和排氣口，隨爐冷卻至室溫，資 舟內(nèi)產(chǎn)物為白色海綿狀塊體，富有彈性，用硝酸洗去含鎂、鐵的雜質(zhì) 后產(chǎn)物為均一的白色粉末，重量沒(méi)有明顯改變。
分別對(duì)實(shí)施例1、 2和3所制得的白色粉末進(jìn)行掃描電鏡觀察發(fā) 現(xiàn)，產(chǎn)物為一維管狀結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)管身內(nèi)部有明顯的填充物(如圖1 所示)。透射電鏡結(jié)果表明，產(chǎn)物為多壁納米管，外徑為40 60nm之 間，內(nèi)經(jīng)10 30nm之間，長(zhǎng)度10 30jum,所得氮化硼納米管表面 干凈，沒(méi)有覆蓋物，很少發(fā)現(xiàn)管身內(nèi)部有填充物。能量損失譜分析表 明，產(chǎn)物中硼氮原子比為1 : 1，說(shuō)明產(chǎn)物中一維納米管的純度很 高。
權(quán)利要求
1、一種鎂熱還原制備氮化硼納米管的方法，其特征在于，包括以下步驟1)在氬氣保護(hù)條件下，將氧化硼、鎂和亞鐵鹽，按摩爾比1∶1～3∶0.01～0.1研磨混合后，過(guò)300目篩網(wǎng)；2)將步驟1)中過(guò)篩后的混合物在氬氣保護(hù)條件下加熱，當(dāng)溫度達(dá)到900～1200℃時(shí)，停止通入氬氣并通入氨氣，待溫度達(dá)到1200～1600℃時(shí)，恒溫1～5小時(shí)；3)恒溫結(jié)束后降至室溫，將所得產(chǎn)物用硝酸浸泡除去雜質(zhì)，得到氮化硼納米管。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中所述 的亞鐵鹽為氯化亞鐵、硫酸亞鐵或草酸亞鐵中的一種。
全文摘要
鎂熱還原制備氮化硼納米管的方法屬于無(wú)機(jī)納米材料領(lǐng)域?，F(xiàn)有制備氮化硼納米管的方法存在產(chǎn)率低、成本高等問(wèn)題。本發(fā)明通過(guò)1)在氬氣保護(hù)下，將氧化硼、鎂和亞鐵鹽按摩爾比1∶1～3∶0.01～0.1研磨混合后過(guò)篩；2)氬氣保護(hù)下加熱過(guò)篩后的混合物，在900～1200℃時(shí)，關(guān)閉氬氣并通入氨氣，待溫度達(dá)到1200～1600℃時(shí)，恒溫1～5小時(shí)；3)溫度降至室溫后，用硝酸浸泡所得產(chǎn)物除去雜質(zhì)，得到氮化硼納米管。本發(fā)明方法具有工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)易于控制和放大，成本低、產(chǎn)率高，所制備的氮化硼納米管尺寸均勻，純度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B21/064GK101348242SQ20081011969
公開(kāi)日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者張久興, 李永利 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)