一种利用石墨烯和氮化硼纳米片制备硼碳氮纳米片的方法与流程

本发明涉及一种利用石墨烯和氮化硼纳米片作为原料制备硼碳氮(bcn)纳米片的方法，属于bcn纳米材料制备技术领域。

背景技术：

近年来，各种各样的碳(c)材料受到人们的广泛关注。除了零维的富勒烯和一维的碳纳米管以外，二维结构的石墨烯也是人们的研究重点。石墨烯不仅因其自身结构和性能的优点实现了在很多领域的应用，而且引发了研究其它二维材料的热潮。六方氮化硼(小时～bn)同样作为一种二维层状材料，也越来越受到人们的关注。虽然小时～bn和石墨具有类似的结构，并有“白石墨”的称号，但是小时～bn和石墨的物理化学性能差异很大。例如，石墨烯通常被认为是一种零带隙半导体，而小时～bn则是一种绝缘体。正因为拥有相似的结构，可以通过向石墨烯中掺杂b、n原子，或者向bn纳米片中掺杂c原子来实现材料的改性，得到性能优异的bcn材料。bcn纳米片的性质可以通过调节纳米片中b、c和n元素的比例进行调控。因此，bcn纳米结构具有非常广阔的应用前景。

从目前的研究成果可以看出，bcn纳米片的制备方法主要有两种：一种是采用化学气相沉积的方法(l.ci,l.song,c.jin,d.jariwala,d.wu,y.li,a.srivastava,z.f.wang,k.storr,l.balicas,f.liuandp.m.ajayan,nat.mater.,2010,9,430.)，另一种是采用硼源、碳源和氮源等进行固相合成(小时uangc,c小时enc,z小时angm,etal.carbon～dopedbnnanos小时eetsformetal～freep小时otoredoxcatalysis[j].naturecommunications,2015,6:7698)。

到目前为止，所有制备方法均无法实现bcn纳米片的大量制备，并且无论是化学气相沉积还是固相合成均需要非常高的实验温度(＞1000℃)，实验过程难以控制。

技术实现要素：

针对现有硼碳氮纳米片制备技术存在的上述问题，本发明提出一种对环境无毒，反应条件温和，制备产率高的利用石墨烯和氮化硼纳米片制备硼碳氮纳米片的方法。

本发明的利用石墨烯和氮化硼纳米片制备硼碳氮纳米片的方法，包括以下步骤：

(1)将石墨烯和bnnss按摩尔百分比为1～99％：99～1％的比例混合均匀，形成混合物；

(2)将混合物在气氛保护或者真空环境下，800℃～1200℃反应0.5～12小时。

(3)待反应产物冷却至室温，在空气中400℃～600℃煅烧4～8小时，待煅烧产物冷却至室温后，清洗干燥处理，即得到硼碳氮纳米片。

步骤(1)中的石墨烯和bnnss来源不限于商业生产的二维片层，还包含采用球磨、超声剥离和化学处理等方法剥离的鳞片石墨、膨胀石墨和h-bn粉末等。

步骤(2)中的气氛保护环境是在氮气或氩气等保护环境。

步骤(2)中的真空环境是相对压力-0.1mpa至-0.001mpa的真空环境。

步骤(2)中的升温速度为5℃/分钟～10℃/分钟。

步骤(3)中的升温速度为5℃/分钟～10℃/分钟。

本发明的方法以石墨烯和bnnss作为原料经煅烧制备bcn纳米片，原料廉价易得，反应条件方便可控，需要的设备比较简单，产物中碳元素含量可控，易于实现低成本大批量生产。具有如下优点：

1.成本低。所用原料为石墨烯和bnnss或者上块体石墨和氮化硼，制备程序简单，有利于提高产率，降低成本。

2、反应条件温和。反应过程中的各种参数(温度、压力、比例等)易于控制，能够更容易研究反应机理，找出最关键的影响因素，尽快稳定工艺条件。

3、对环境友好，可以从根本上消除对环境的污染和毒害，有利于环境保护。

附图说明

图1是本发明制备的bcn纳米片的扫描电镜图片。

图2是本发明制备的bcn纳米片的透射电镜图片。

图3是本发明制备的bcn纳米片的原子力显微镜照片。

图4是本发明制备的bcn纳米片的红外光谱。

具体实施方式

实施例1

(1)称量石墨烯0.1g，bnnss0.1g，两者摩尔百分比为50％:50％。共同放入研钵中，研磨均匀。

(2)将混合均匀的混合物转移至陶瓷舟中，并放入管式炉内。在氮气气氛保护下，以5℃/min的升温速度升至800℃，并保温2小时。

(3)待温度降至室温后，将产物取出并放入马弗炉中，设置500℃，升温速率为5℃/min并保温6小时。

(4)待产物冷却至室温后，将产物用乙醇清洗干净并干燥处理，即可得到bcn纳米片。

本实施例制备的bcn纳米片的扫描电镜图片如图1所示，透射电镜图片如图2所示，原子力显微镜如图3所示，bcn纳米片与bn纳米片的红外光谱对比如图4所示。

实施例2

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(1)中石墨烯0.01g，bnnss0.99g。两者摩尔百分比为1％：99％。

实施例3

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(1)中石墨烯0.99g，bnnss0.01g。两者摩尔百分比为99％：1％。

实施例4

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(2)中升温速率设置为10℃/min。

实施例5

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(2)中温度设置为1000℃。

800℃～1200℃反应0.5～12小时。

实施例6

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(2)中温度设置为1200℃。

实施例7

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(2)中氮气气氛保护换为氩气气氛保护。

实施例8

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(2)中氮气气氛保护换为相对压力-0.01mpa的真空条件。

实施例9

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(2)中氮气气氛保护换为相对压力-0.1mpa的真空条件。

实施例10

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(2)中氮气气氛保护换为相对压力-0.001mpa的真空条件。

实施例11

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(2)中保温时间设为0.5小时。

实施例12

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(2)中保温时间设为12小时。

实施例13

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(3)中温度设为400℃。

实施例14

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(3)中温度设为600℃。

实施例15

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(3)中保温时间设为4小时。

实施例16

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(3)中保温时间设为6小时。

实施例17

(1)称量鳞片石墨0.5g，h-bn粉末0.5g，两者摩尔百分比为50％：50％。然后共同加入球磨罐中，球磨处理得到混合均匀的石墨烯和bn纳米片混合物。

(2)将石墨烯和bn纳米片混合物转移至陶瓷舟中，并放入管式炉内。在氩气气氛保护下，以8℃/min的升温速度升至1000℃，并保温6小时。

(3)待温度降至室温后，将产物去除气氛保护，并继续在管式炉中高温煅烧，设置升温速率为7℃/min，并在500℃保温6小时。

(4)待产物冷却至室温后，将产物用去离子水清洗干净并干燥处理，即可得到bcn纳米片。

实施例18

如实施例17所述，不同之处在于：步骤(1)中的鳞片石墨换为膨胀石墨。

实施例19

(1)称量鳞片石墨0.1g，h-bn粉末0.1g，两者摩尔百分比为50％：50％。然后共同加入去离子水中，超声处理得到混合均匀的石墨烯和bn纳米片混合物。

(2)将石墨烯和bn纳米片混合物转移至陶瓷舟中，并放入管式炉内。在真空环境下，以10℃/min的升温速度升至1200℃，并保温12小时。

(3)待温度降至室温后，将产物暴露在空气中，并继续在管式炉中高温煅烧，设置升温速率为10℃/min，并在600℃保温8小时。

(4)待产物冷却至室温后，将产物用去离子水清洗干净并干燥处理，即可得到bcn纳米片。

实施例20

如实施例19所述，不同之处在于：步骤(1)中的鳞片石墨换为膨胀石墨。