專利名稱：一種批量制備氮化硼納米管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)納米材料領(lǐng)域，具體涉及一種批量制備氮化硼納米管的制備方法。
背景技術(shù)：
氮化硼納米管類似于碳納米管，可以看做是碳納米管中的碳原子被硼和氮原子交替取代的產(chǎn)物。氮化硼納米管不僅具有可以與碳納米管相媲美的力學(xué)性能和熱傳導(dǎo)性能，而且還具有優(yōu)異的抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，這使得氮化硼納米管成為理想的在結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用于納米復(fù)合材料中。氮化硼納米管為穩(wěn)定的寬帶隙材料，電學(xué)性能不隨管徑和手性改變，這相對于碳納米管易變的電學(xué)性能而言，氮化硼納米管在電子器件中的應(yīng)用具有較大的優(yōu)勢。此外，氮化硼納米管還具有較好的儲(chǔ)氫性能，陰極射線發(fā)射性能和生物相容性，這些優(yōu)點(diǎn)可使氮化硼納米管在能源，場致發(fā)光和生物醫(yī)用領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。常用的氮化硼納米管制備方法有電弧放電法，激光燒蝕法，模板法，機(jī)械球磨法，CVD以及熱分解法等，但這些方法存在產(chǎn)率低，純度低，制備溫度高，成本高或者工藝復(fù)雜難以產(chǎn)業(yè)化等缺點(diǎn)，所得到的氮化硼納米管形態(tài)各異缺陷也較多，這嚴(yán)重制約著氮化硼納米管的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種產(chǎn)率高、純度高、制備條件溫和、成本低、工藝簡單的氮化硼納米管的制備方法，而且該制備方法易于放大，可以達(dá)到批量生產(chǎn)的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種批量制備氮化硼納米管的方法，其特征在于將硼源，過渡金屬化合物以及堿土金屬化合物充分混合，將混合物在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下加熱至1000 110(TC，停止通入保護(hù)氣體，開始通入氨氣或者氮?dú)馀c氫氣的混合氣體進(jìn)行反應(yīng)并 繼續(xù)加熱至1200 1400°C，保溫O. 5 4小時(shí)，保溫結(jié)束后停止氣體的通入并將溫度降至室溫，得到白色粗產(chǎn)物，將粗產(chǎn)物在空氣中加熱至600°C后，經(jīng)酸洗、干燥獲得管徑為50 300nm、長度可達(dá)100微米以上的氮化硼納米管。所述混合物包含的硼源中硼元素、過渡金屬、堿土金屬的摩爾比為1:0.01 O. 09:0. 03 O. 27。所述的硼源為硼粉或氧化硼或硼酸。所述的過渡金屬化合物為Fe或Co或Ni的氧化物或者氫氧化物。所述的堿土金屬化合物為Ca或Ba或Sr的氧化物或者氫氧化物。所述的酸為鹽酸。該制備方法可能存在的反應(yīng)舉例如下(以B粉，氧化鐵和氧化鈣為例)
2NH3=N2+3H2
Fe203+3H2=2Fe+3H20N2=2N*
B+N*=BN
反應(yīng)過程如下首先，氨氣分解為活性的氮原子和氫氣，氫氣將Fe2O3還原為單質(zhì)Fe，活性的氮原子和活性的B原子溶解在單質(zhì)Fe中，隨著溫度的升高，B粉和活性N原子在單質(zhì)Fe中的溶解至飽和并在表層析出BN膜，并逐漸包裹并抬升Fe顆粒，但由于Fe的液滴對于BN的潤濕性較差，在包裹的過程中，熔融的Fe顆粒會(huì)逐漸下降并掙脫BN膜的包裹，而BN膜被逐漸推高，熔融的Fe顆粒與BN膜頂端逐漸分離，B和N原子繼續(xù)溶解并析出，BN逐漸長高形成管狀，在這一反應(yīng)中，F(xiàn)e2O3提供成核中心并加速氨氣的分解，CaO提供位阻，使得形成的單質(zhì)Fe顆粒均勻分布在CaO中，在高溫下不會(huì)因聚集長大而失活，并且CaO可能還有活化B原子的功能。在氮化硼納米管生長的過程中，有些Fe顆粒會(huì)因?yàn)閬聿患皰昝揃N膜的包裹而滯留在納米管中。所得的氮化硼納米管有竹節(jié)狀和圓柱狀兩種形貌。本發(fā)明的有益效果在于通過催化劑堿土金屬的引入，可以在較低的溫度下生長出大量管徑為50 300nm、長度達(dá)到100微米以上、管身均勻光滑、形貌以竹節(jié)狀為主并有少量圓柱狀的氮化硼納米管，該制備方法成本較低、原料來源廣泛、制備過程簡單、易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，產(chǎn)率可以達(dá)到85%以上、純度大于85wt%，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。


圖I為實(shí)施例I所制備的氮化硼納米管的SEM照片。圖2為實(shí)施例I所制備的氮化硼納米管的TEM照片。
具體實(shí)施例方式下面通過具體的實(shí)施例進(jìn)一步介紹本發(fā)明，但是實(shí)施例不會(huì)構(gòu)成對本發(fā)明的限制。實(shí)施例I
稱取5克無定形B粉，I. 45克Fe2O3,1. 27克CaO，充分混合后平鋪在氧化鋁瓷板上，置于管式爐內(nèi)，充入氬氣保護(hù)并開始升溫，氬氣流量為300ml/min，升溫至1000°C時(shí)，停止通入氬氣，開始通入NH3, NH3流量為150ml/min，并繼續(xù)加熱至1300°C，保溫4個(gè)小時(shí)，保溫結(jié)束后停止通入任何氣體，關(guān)閉管式爐進(jìn)、出氣口，自然降溫至室溫，得到白色粗產(chǎn)物，將粗產(chǎn)物在空氣中加熱至600°C進(jìn)行氧化處理，將氧化后的粗產(chǎn)物放入濃度為38wt%的鹽酸中浸泡6小時(shí)，抽濾，洗滌，干燥后可得到9. 9克BN納米管粉體，以B粉為基準(zhǔn)計(jì)算其產(chǎn)率為87%，BN納米管的純度約為90%，所制備出的氮化硼納米管為多壁納米管，平均管徑為150nm，長度大于100微米，管身均勻光滑。實(shí)施例2
稱取 克B2O3,0. 42克Co2O3,0. 78克BaO，充分混合后平鋪在氧化鋁瓷板上，置于管式爐內(nèi)，充入氬氣保護(hù)并開始升溫，氬氣流量為300ml/min，升溫至1100°C時(shí)，停止通入氬氣，開始通入NH3, NH3流量為200ml/min，并繼續(xù)加熱至1400°C，保溫3個(gè)小時(shí)，保溫結(jié)束后停止通入任何氣體，關(guān)閉管式爐進(jìn)、出氣口，自然降溫至室溫，得到白色粗產(chǎn)物，將粗產(chǎn)物在空氣中加熱至600°C進(jìn)行氧化處理，將氧化后的粗產(chǎn)物放入濃度為36wt%的鹽酸中浸泡12小時(shí)，抽濾，洗滌，干燥后可得到4. 3克BN納米管粉體，以B2O3粉為基準(zhǔn)計(jì)算其產(chǎn)率為85%，BN納米管的純度約為85%，所制備出的氮化硼納米管為多壁納米管，平均管徑為180nm，長度大于100微米，管身均勻光滑。實(shí)施例3
稱取6. 2克H3BO3,0. 4克Fe2O3,1. 48克Ca (OH)2,充分混合后平鋪在氧化鋁瓷板上，置于管式爐內(nèi)，充入氬氣保護(hù)并開始升溫，氬氣流量為500ml/min，升溫至1000°C時(shí)，停止通入氬氣，開始通入NH3, NH3流量為300ml/min，并繼續(xù)加熱至1200°C，保溫4個(gè)小時(shí)，保溫結(jié)束后停止通入任何氣體，關(guān)閉管式爐進(jìn)、出氣口，自然降溫至室溫，得到白色粗產(chǎn)物，將粗產(chǎn)物在空氣中加熱至600°C進(jìn)行氧化處理，將氧化后的粗產(chǎn)物放入濃度為37wt%的鹽酸中浸泡8小時(shí)，抽濾，洗滌，干燥后可得到2. 2克BN納米管粉體，以H3BO3粉為基準(zhǔn)計(jì)算其產(chǎn)率為88%，BN納米管的純度約為85%，所制備出的氮化硼納米管為多壁納米管，平均管徑為120nm，長度大于100微米，管身均勻光滑。本發(fā)明所列舉的各原料以及各原料的上下限取值、區(qū)間值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。本發(fā)明的工藝參數(shù)(如溫度、保溫時(shí)間等)的上下限取值、區(qū)間值都能實(shí)·現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種批量制備氮化硼納米管的方法，其特征在于將硼源，過渡金屬化合物以及堿土金屬化合物充分混合，將混合物在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下加熱至1000 1100°C，停止通入保護(hù)氣體，開始通入氨氣或者氮?dú)馀c氫氣的混合氣體進(jìn)行反應(yīng)并繼續(xù)加熱至1200 1400°C，保溫O. 5 4小時(shí)，保溫結(jié)束后停止氣體的通入并將溫度降至室溫，得到白色粗產(chǎn)物，將粗產(chǎn)物在空氣中加熱至600°C后，經(jīng)酸洗、干燥獲得管徑為50 300nm、長度可達(dá)100微米以上的氮化硼納米管。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備氮化硼納米管的方法，其特征在于所述混合物包含的硼源中硼元素、過渡金屬、堿土金屬的摩爾比為1:0. 01 O. 09:0. 03 O. 27。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備氮化硼納米管的方法，其特征在于所述的硼源為硼粉或氧化硼或硼酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備氮化硼納米管的方法，其特征在于所述的過渡金屬化合物為Fe或Co或Ni的氧化物或者氫氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備氮化硼納米管的方法，其特征在于所述的堿土金屬化合物為Ca或Ba或Sr的氧化物或者氫氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備氮化硼納米管的方法，其特征在于所述的酸為鹽酸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種批量制備氮化硼納米管的方法，將硼源，過渡金屬化合物以及堿土金屬化合物充分混合，將混合物在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下加熱至1000～1100℃，停止通入保護(hù)氣體，開始通入氨氣或者氮?dú)馀c氫氣的混合氣體進(jìn)行反應(yīng)并繼續(xù)加熱至1200～1400℃，保溫0.5～4小時(shí)，保溫結(jié)束后停止氣體的通入，關(guān)閉進(jìn)、出氣口并將溫度降至室溫，得到白色粗產(chǎn)物，將粗產(chǎn)物在空氣中加熱至600℃后酸洗干燥即可，所制備出的氮化硼納米管的管徑為50～300nm，長度可達(dá)100微米以上。本發(fā)明通過催化劑堿土金屬的引入，可以在較低的溫度下生長出大量的氮化硼納米管，成本較低，原料來源廣泛，制備過程簡單，易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
文檔編號C01B21/064GK102849694SQ20121040017
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月20日
發(fā)明者劉維良, 班曉磊, 馮震乾, 曾小軍 申請人:景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院