一种利用冷冻干燥处理制备多孔硼碳氮纳米片的方法与流程

本发明涉及一种用于制备多孔硼碳氮(porousbcn)纳米片的方法，属于硼碳氮(bcn)纳米材料制备技术领域。

背景技术：

近年来，二维材料由于其独特的片层结构和优异的物理、化学和电学性能，在各种领域表现出非常好的应用前景。bcn纳米片简单的可以认为是小时-bn和石墨烯晶格结构在二维平面内的混杂。由于bcn纳米片中各类原子含量可以调节，导致bcn纳米片具有各种结构形式，如bcn、bc2n、bc3n和bc6n等等，因此bcn纳米片的性质也具有多变性。例如，当以石墨烯的c晶格结构作为基底时，b原子替换c原子进入晶格后，产生多余空穴，n原子替换进入晶格产生多余电子。bcn结构可以成为一种n型或者p型窄带隙半导体。同时，bcn纳米片的性能不仅与其结构密切相关，也与纳米片的具体形貌有关。因此除了调节bcn的组成结构以外，研究如何获得比表面积更大，片层更薄的纳米结构同样是bcn领域的研究热点。

从目前的研究成果可以看出，bcn纳米片的制备方法有很多，大体可以分为以下两类：一类是采用化学气相沉积的方法(liuz,mal,s小时ig,etal.in-plane小时eterostructuresofgrap小时eneand小时exagonalboronnitridewit小时controlleddomainsizes.natnano,2013,8(2):119-124)，另一类是采用三氧化二硼、三聚氰胺、葡萄糖等含有硼、碳和氮元素的物质进行固相合成，如中国专利文献cn106430128a公开的《一种超薄硼碳氮纳米片的合成方法》。到目前为止，所有制备方法均得到片层结构相对完整的bcn纳米片，但不能有效扩大bcn纳米片的比表面积。

技术实现要素：

针对现有bcn纳米片制备技术存在的问题，本发明提出一种利用冷冻干燥处理制备多孔硼碳氮纳米片的方法，该方法冷冻干燥处理硼源、氮源和碳源的混合物，具有原材料便宜易得，反应条件简单，制备过程绿色无毒等特点。

本发明的利用冷冻干燥处理制备多孔硼碳氮纳米片的方法，包括以下步骤：

(1)将硼源、碳源和氮源按摩尔百分比为1～98％：1～98％：1～98％的比例混合，形成原料混合物，按水与原料混合物的摩尔比为10～1000：1的比例，加水使原料混合物溶解，形成原料混合物溶液；

(2)将原料混合物溶液冷凝固化后进行冷冻干燥处理；

(3)将冷冻干燥得到的粉末在气氛保护或者真空环境下，800℃～1200℃反应0.5小时～12小时；

(4)待反应产物冷却至室温后，球磨2小时～8小时；

(5)待球磨产物冷却至室温后，清洗干燥处理，即得到bcn纳米片。

步骤(1)中的硼源为硼酸、氧化硼、硼酸盐或其它含硼的有机物。

步骤(1)中的氮源为尿素、双氰胺、三聚氰胺或其它含氮物质。

步骤(1)中的碳源为葡萄糖、柠檬酸或其它含碳有机物。

步骤(3)中的气氛保护环境为氮气或氩气保护等环境。

步骤(3)中的真空环境是指相对压力在-0.1mpa至-0.001mpa的真空条件。

步骤(3)中的速率升温为10℃/分钟。

本发明以三元物(硼源、碳源、氮源)作为原料再经煅烧制备porousbcn纳米片，是在高温条件下，利用物质的热解和聚合反应，原料廉价易得，反应条件方便可控，需要的设备比较简单，产物中各组分比例可控，易于实现低成本大批量生产。具有如下优点：

1.成本低。所用原料均为常用化学试剂或化工原料，操作程序简单，有利于提高产率，降低成本。

2、反应过程中的各种参数(温度、压力、比例等)易于监测和控制，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、环境污染少，可以从根本上消除污染，有利于环境保护。

附图说明

图1是本发明制备的porousbcn纳米片的扫描电镜图片。

图2是本发明制备的porousbcn纳米片的afm图片。

图3是本发明制备的porousbcn纳米片的红外光谱。

具体实施方式

实施例1

(1)称量硼酸0.62g，葡萄糖1.80g，尿素0.60g，三者摩尔比为1:1:1，摩尔百分比相同。然后将三种物质置于烧杯中，加入54ml水中搅拌溶解，水与原料混合物的摩尔比为100:1。

(2)将烧杯用透气的薄膜封口，放入冰箱中冷凝固化后进行冷冻干燥处理。

(3)将冷冻干燥得到的粉末放入陶瓷舟中，置于管式炉内。在氮气气氛保护下，以10℃/min的速率升温至1000℃，并保温5小时。

(4)将煅烧所得反应产物放入球磨机内球磨4小时。

(5)待产物冷却至室温后，用去离子水洗至中性，即得到porousbcn纳米片。

本实施例制备的porousbcn纳米片的扫描电镜图片如图1所示，afm图片如图2所示，红外光谱如图3所示。

实施例2

如实施例1所述，不同之处在于步骤(1)中硼源为氧化硼：

称量氧化硼0.69g，葡萄糖1.80g，尿素0.60g，三者摩尔比为1:1:1。

实施例3

如实施例1所述，不同之处在于步骤(1)中硼源为硼酸铵：称量硼酸铵2.28g，葡萄糖1.80g，尿素0.60g，三者摩尔比为1:1:1。

实施例4

如实施例1所述，不同之处在于步骤(1)中氮源为双氰胺：硼酸0.62g，葡萄糖1.80g，双氰胺0.84g，三者摩尔比为1:1:1。

实施例5

如实施例1所述，不同之处在于步骤(1)中氮源为三聚氰胺：硼酸0.62g，葡萄糖1.80g，三聚氰胺1.26g，三者摩尔比为1:1:1。

实施例6

如实施例1所述，不同之处在于步骤(1)中碳源为柠檬酸：硼酸0.62g，柠檬酸1.92g，尿素0.60g，三者摩尔比为1:1:1。

实施例7

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(1)中硼酸6.06g，葡萄糖0.18g，尿素0.06g，三者摩尔百分比是98％:1％:1％。

实施例8

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(1)中硼酸0.06g，葡萄糖17.66g，尿素0.06g，三者摩尔百分比是1％:98％:1％。

实施例9

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(1)中硼酸0.06g，葡萄糖0.18g，尿素5.89g，三者摩尔百分比是1％:1％:98％。

实施例10

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(1)中加入5.4ml水，水与原料混合物的摩尔比为10:1。

实施例11

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(1)中加入540ml水，水与原料混合物的摩尔比为1000:1。

实施例12

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(3)中温度设置为800℃。

实施例13

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(3)中温度设置为1200℃。

实施例14

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15

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16

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17

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18

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(3)中保温时间设为0.5小时。

实施例19

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(3)中保温时间设为12小时。

实施例20

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(4)中球磨时间设为2小时。

实施例21

如实施例1所述，不同之处在于：步骤(4)中球磨时间设为8小时。