一種三維碳-氮化硼納米材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的技術(shù)方案涉及碳、氮化硼納米材料技術(shù)合成領(lǐng)域，具體為一種三維碳-氮化硼納米材料的合成方法和應用。
【背景技術(shù)】
[0002]納米科學技術(shù)是近代崛起并迅速發(fā)展起來的新興科技，納米材料在精細陶瓷、醫(yī)學、能源、環(huán)境、傳感器等領(lǐng)域中有著廣泛的應用。碳納米材料具有獨特的微觀結(jié)構(gòu)和奇異的電學、力學、機械特性以及量子尺寸效應，并且在新能源、環(huán)境、生物、醫(yī)藥、信息、航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出許多優(yōu)異性能。六方氮化硼(h-BN)納米材料，與石墨是等電子體，具有優(yōu)異的高溫抗氧化性、化學穩(wěn)定性、優(yōu)異潤滑性能、高的熱導性、良好的透波性能等，因此廣泛應用于機械、冶金、電子、航空航天等領(lǐng)域。
[0003]本專利提出的三維碳-氮化硼納米材料是融合碳納米材料和氮化硼納米材料優(yōu)越性于一體的新型三維納米材料，它的微觀形貌是由片層堆疊而成的塊材，塊材的橫斷面又由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成蜂窩狀的三維結(jié)構(gòu)。三維碳-氮化硼納米材料具有優(yōu)異的物理性能、抗氧化性、化學穩(wěn)定性強、吸附性能強、比表面積大、孔洞豐富、無毒無害，因而極為適合應用于飲用水提純及污水處理上。
[0004]近年來，很多工作致力于三維碳和三維氮化硼納米材料的研究。2011年，Cao等人通過合成新的前驅(qū)體得到三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)石墨稀(Xiehong Cao ,Yumeng Shi ,ffenhui Shi ,Gang Lu，Xiao HuangjQingyu Yan,Qichun Zhang and Hua Zhang；small；2011,7,N0.22,3163-3168.)。2013年，Wang等人利用吹糖法在聚合物基體上合成了三維泡沫網(wǎng)狀石墨烯(Xuebin Wang,Yuanjian Zhang,Chunyi Zhi,Xi Wang,Daiming Tang,Yibin Xu,QunhongWeng,Xiangfen Jiang,Masanori Mitome,Dmitri Golberg&Yosh1 Bando；naturecommunicat1ns ； 2013,16 ,Dec ,4:2905.) C3Lian等人在2011年用簡易固相法獲得六方相的三維氮化硼納米花(Gang Lian,Xiao Zhang1Miao Tan,Shunjie Zhang1Deliang Cui andQilong Wang； J.Mater.Chem.,2011,21,9201.)。同年，Liu等人采用無模板法合成交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)三維氮化硼(Dan Liu ,ffeiwei Lei , Si Qin&Ying Chen !physical chemistry two-dimens1nal materials(2013)4:4453.)。近期Zhao等人采用起泡劑輔助氣體發(fā)泡法獲得了多層次化的三維氮化硼薄壁(Huijie Zhao,Xiufeng Song and Haibo Zeng；3 NPG AsiaMaterialS(2015)7，el68.)。到目前為止，還沒有高效、安全的制備方法能夠制備出兼具碳和氮化硼的優(yōu)越性能的低成本、高純度、形貌均一、比表面積大的三維碳-氮化硼納米材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種新型的三維碳-氮化硼納米材料及其制備方法。該方法中使用三氧化二硼與三乙醇胺溶劑熱合成的膠體為反應前驅(qū)體，產(chǎn)物為一種全新的碳-氮化硼復合三維納米結(jié)構(gòu)。該制備方法具有成本低、產(chǎn)率高、綠色無污染、應用性強等優(yōu)點。本發(fā)明采用三步合成法:第一步，用溶劑熱合成三氧化二硼三乙醇胺前驅(qū)體膠體;第二步，用水熱法合成密胺二硼酸的前驅(qū)體粉末;第三步，將步驟一和步驟二中獲得的前驅(qū)體混合后研磨均勻，在反應氣氛下，高溫熱裂解得到高比表面積、形貌均一的三維碳-氮化硼納米材料。獲得已有的方法所不能得到的高比表面積、高質(zhì)量、高純度和兼具碳、氮化硼的優(yōu)越性能的新型碳-氮化硼三維納米材料。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]—種三維碳-氮化硼納米材料的制備方法，包括如下步驟:
[0008](I)將三氧化二硼和三乙醇胺混合加入到反應釜中，攪拌5-60分鐘；其中，摩爾比為硼原子:氮原子= 1:3?3:1;
[0009](2)將反應釜密封，在150-200°C下保溫反應10-24小時，然后讓反應釜自然冷卻到室溫，得到三氧化二硼-三乙醇胺的混合膠體；
[0010](3)將三聚氰胺和硼酸置于水中，攪拌1-2小時后加入帶有回流裝置的反應器，預熱80-90°C使其溶解并保溫2-15小時，制得三聚氰胺-硼酸-水的混合溶液，隨后將溶液冷卻至10-25°C，冷卻速度為每分鐘1-50°C，有沉淀晶體析出；再保溫1-5天，過濾得到晶體沉淀物;物料配比為每毫升水含有0.005-0.1克三聚氰胺和0.002-0.1克硼酸；
[0011 ] (4)將步驟(3)中得到的沉淀物放入60-80 °C干燥箱中烘干3_8小時，得到白色粉末；
[0012](5)將步驟(2)和步驟(4)得到的膠體和白色粉末混合后研磨，得到均勻混合物;其中，質(zhì)量比膠體和白色粉末=1:1-1: 10；
[0013](6)將步驟(5)中配制的混合物，在反應氣氛下800_1500°C熱處理，升溫速率為每分鐘1-20°C，保溫時間為2-6小時，在反應氣氛下降溫;得黑色泡沫狀固體物質(zhì)即為三維碳-氮化硼納米材料。
[0014]所述的步驟(I)中反應釜為聚四氟乙烯內(nèi)膽，不銹鋼套件密閉的反應釜。
[0015]所述的步驟(6)中的反應氣氛為氬氣、氮氣或氨氣。
[0016]所述的步驟(6)中反應氣氛的氣體流速為50-500毫升/每分鐘。
[0017]所述的步驟(I)中反應物料體積優(yōu)選為反應釜內(nèi)膽容積的70%_80%。
[0018]本發(fā)明的實質(zhì)性特點:
[0019]原料三氧化二硼在150-200°C下溶于三乙醇胺中，經(jīng)降溫后得到三氧化二硼三乙醇胺前驅(qū)體膠體(步驟1、2);原料三聚氰胺和硼酸溶解在80-90°(:水溶液中，經(jīng)降溫析出、過濾并干燥后得到密胺二硼酸分子晶體前驅(qū)體粉末(步驟3、4);得到的前驅(qū)體膠體和前驅(qū)體粉末混合均勻，此過程中膠體起粘結(jié)劑的功效，前驅(qū)體粉末起支架作用(步驟5);在之后的高溫熱處理過程中，前驅(qū)體混合物鼓包發(fā)泡，排出大量的CO2，NH3等氣體，最終形成三維碳-氮化硼納米材料(步驟6)。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:
[0021]1.本發(fā)明方法所得到的產(chǎn)物為高純度蜂窩狀三維碳-氮化硼納米材料。XRD譜圖(圖1)的衍射峰清晰，為石墨及六方氮化硼，沒有其他雜相的衍射峰出現(xiàn);SEM圖(圖2和圖3)顯示所制備的本方法合成的三維碳-氮化硼納米材料為片層堆積的塊材結(jié)構(gòu)，塊材的大小為10-100微米左右，塊材結(jié)構(gòu)的橫斷面為蜂窩狀，其中介孔孔徑為30納米左右、大孔孔徑為250納米左右，產(chǎn)品純度約為95% ;圖4顯示本方法得到的三維碳-氮化硼納米材料在低溫下氮氣的吸附和脫附等溫線比表面積可達到344.133m2/g。
[0022]2.本發(fā)明方法基于碳和氮化硼納米材料的優(yōu)越性能及特點，既擁有碳材料在有機污染物的吸附上的卓越性能，其中對亞甲基藍和剛果紅的吸附尤為突出，對亞甲基藍的吸附量可達408mg g—S遠高于一種多孔氮化硼納米纖維(專利號CN201510026727.1);同時又獲得了氮化硼材料表現(xiàn)出的優(yōu)秀的金屬離子吸附特性例如對鎘離子、鎳離子、鈷離子的吸附等。
[0023]3.本發(fā)明所采用的原料為三氧化二硼、三乙醇胺、硼酸和三聚氰胺，原料普通而且價格低廉。
[0024]4.本發(fā)明合成的三維碳-氮化硼納米材料形貌均一、純度高、比表面積大，方法簡單、可靠，且適合規(guī)?；铣?。所得到的三維碳-氮化硼是一種新型納米材料，表現(xiàn)出極為優(yōu)秀的對有機污染物及金屬離子的吸附性能，可很好的應用于污水治理。
【附圖說明】
[0025]圖1為實施例1中三維碳-氮化硼的X射線衍射譜圖。
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