[发明专利]一种制备氮化硼包覆碳纳米管/纳米线及氮化硼纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备氮化硼包覆碳纳米管/纳米线及氮化硼纳米管的方法，属于无机非金属材料制备技术领域。

背景技术

自1991年碳纳米管发现以来，由于其具有优异的力学性能和特殊的电学性能，而受到了极大的关注，但是由于碳纳米管/纳米线自300℃左右开始缓慢氧化，600℃左右迅速氧化，使它的应用受到了很大的限制，尤其在制备耐高温复合材料方面，由于碳纳米管在高温下易与其它物质发生反应，进一步限制了其应用。

氮化硼具有极好的化学稳定性和良好的抗氧化性能，同时氮化硼的结构与碳极其相似，二者具有很好的结构匹配性，因此可以很容易地在碳纳米管表面包覆氮化硼并形成良好的结合，获得氮化硼包覆的碳纳米管，从而拓展碳纳米管的应用。氮化硼纳米管除了具有高的化学稳定性和抗氧化性能，还具有宽能隙(约为5.5eV)，而且其电学性能不受直径和手性的影响，使它在高温、高强度纤维、半导体材料等方面有着比碳纳米管更强的实用性。

目前，制备氮化硼纳米管的方法包括：电弧放电法、激光烧蚀法、氧化铝模板法、前驱体高温分解法等。但这些方法中，有的需要使用金属催化剂，容易造成金属污染；有的需要在高温或高压下进行；有的需要昂贵的设备和复杂的操作，成本较高且产量低；这直接影响了氮化硼纳米管在科学研究和工业生产中的应用。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种不需使用催化剂、反应温度低、操作简单、产量高的制备氮化硼包覆碳纳米管/纳米线及氮化硼纳米管的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种制备氮化硼包覆碳纳米管/纳米线及氮化硼纳米管的方法，步骤如下：

(1)称取硼源、氮源和碳纳米管/纳米线，混匀后装入反应釜中，封紧反应釜，放到加热炉中，加热到500～600℃，使其发生反应，反应8～18h，停止加热，使反应釜在加热炉中自然冷却至室温；

(2)用去离子水清洗、抽滤反应产物，除去残余反应物及反应副产物，至滤液呈中性为止；

(3)将所得产物在60～80℃下烘干3～8小时，即得到灰黑色的氮化硼包覆碳纳米管/纳米线；

(5)将上述氮化硼包覆碳纳米管/纳米线在空气中加热至750～800℃进行氧化处理，即得到灰色的氮化硼纳米管。

所述步骤(1)中的硼源是金属硼氢化物、氟硼酸盐，如硼氢化钠、硼氢化钾、硼氢化锂、氟硼酸钠、氟硼酸钾等，氮源是铵盐，如氯化铵、硫酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵等。

所述步骤(1)中的硼源和氮源均是氟硼酸铵。

所述步骤(1)中硼源中的硼与氮源中的氮的原子比为1∶1～1∶1.2，硼源和氮源的总质量与碳纳米管/纳米线的质量比为10∶1～30∶1。

本发明通过硼氢化物、氟硼酸盐与铵盐反应或直接通过氟硼酸铵分解来制备氮化硼，其反应式为：：nMBX₄+(NH₄)_nY→nBN+M_nY+2nH₂(M＝Na，K，Li等金属离子，X＝H，F等，Y＝Cl^-，SO₄^2-，CO₃^2-，HCO₃^-等酸根离子，n＝1，2)，NH₄BF₄→BN+4HF。本发明所用的设备简单，操作简单方便，反应温度低(500～600℃)，反应物的处理简单，工艺稳定，生产效率高，可用于大规模制备氮化硼包覆碳纳米管/纳米线及氮化硼纳米管。

本发明具有以下优点：1、成本低：所用的原料均为常用的化工原料，廉价易得；且工艺操作简单。2、工艺稳定，易于控制。3、无污染：不需要使用金属催化剂，不会造成金属污染。

附图说明

图1是氮化硼包覆碳纳米管/纳米线的X-射线衍射图；

图2是氮化硼包覆碳纳米管/纳米线在空气中加热的热失重(TG)图；

图3是氮化硼包覆碳纳米管/纳米线的透射电镜(TEM)形貌图；

图4是氮化硼纳米管的透射电镜(TEM)形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明：