[发明专利]硼碳氮纳米管的制备方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及含硼和氮的化合物，具体地说是硼碳氮纳米管的制备方法。

背景技术

硼碳氮纳米管可以看作石墨网络中部分碳原子被硼或氮原子取代的产物，B-C-N三元化合物介于六方氮化硼和石墨结构之间。虽其形态结构与碳纳米管有相似之处，但它具有比碳纳米管更优异的机械性能和电学性能，有更高的抗氧化能力，而且机械性能和电学性能不受其直径的影响，只与其组成有关。因此，硼碳氮纳米管具有比碳纳米管更佳的物理和力学性质，在复合材料、磁性材料、发光材料和电子材料诸多领域有着广泛的应用前景。虽然硼碳氮纳米管具有许多优良性质，但制约硼碳氮纳米管应用的瓶颈在于其制备困难，合成产率较低，而且合成过程难以控制。

现有技术中，制备硼碳氮纳米管的主要方法有电弧放电法、等离子体蒸发法、热丝气相沉积法和热解法，已在不同的制备条件下，借助催化剂、碳源、硼源和氮源，制备出了形态各异和元素分布不同的硼碳氮纳米管。CN101718731B公开了硼碳氮纳米管/半导体氧化物复合材料及其制备方法，其中硼碳氮纳米管由催化剂、含硼材料和碳纳米管在氨气气氛中制成；CN100354202C报道了一种在低温下制备硼碳氮纳米管的方法，以KBH₄、NH₄Cl、ZnBr₂和苯为原材料在不锈钢反应釜中制备硼碳氮纳米管；CN101718732B披露了碳掺杂硼氮纳米管/半导体氧化物复合材料及其制备方法，其中采用催化剂、含硼材料和碳纳米管研磨后在氨气中合成，再提纯、焙烧后得到碳掺杂硼氮纳米管。虽然，上述现有技术采用各种方法实现了硼碳氮纳米管的合成与控制，但存在的缺点是：（1）制备出的硼碳氮纳米管晶型较差、掺杂效率和纯度低；（2）合成条件比较苛刻，不适于硼碳氮纳米管的量产；（3）硼碳氮纳米管的提纯与分散难度大。因此，寻找一种合成工艺路线简单、晶型好、产率和纯度高、提纯与分散简便的硼碳氮纳米管制备方法对于促进其广泛应用具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供硼碳氮纳米管的制备方法，是一种通过化学气相沉积法合成硼碳氮纳米管的制备方法，在制备氧化镍-氯化钠催化剂前躯体基础上，通过化学气相沉积工艺制备硼碳氮纳米管-氯化钠粉末，进而提纯获得硼碳氮纳米管，克服了现有技术中硼和氮掺杂碳纳米管晶型差，掺杂效率和纯度低，以及硼碳氮纳米管提纯与分散难度大的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：硼碳氮纳米管的制备方法，是一种通过化学气相沉积法合成硼碳氮纳米管的制备方法，具体步骤如下：

第一步，制备氧化镍-氯化钠催化剂前躯体

按重量比为硝酸镍:氯化钠=0.02～0.55:1的比例，称取所需用量的六水合硝酸镍与氯化钠，在电磁搅拌状态下，将称取的氯化钠按50～80g/L的浓度溶入去离子水中，而后将称取的六水合硝酸镍溶入上述去离子水中，持续电磁搅拌直至氯化钠和六水合硝酸镍完全溶解，将上述溶液置于电热恒温干燥箱中于60～90℃干燥48～96h，至水分完全蒸发，然后将干燥后得到的硝酸镍与氯化钠结晶混合物置于球磨罐中，采用行星式球磨机以500～1000r/min的速度球磨3～6h，将上述经球磨处理后的混合物置于石英方舟中，将该石英方舟置于水平管式炉恒温区，以180～240ml/min的流速向该管式炉中持续通入氮气并升温至350～600℃，保温2～4h，使该管式炉在180～240ml/min流速的氮气氛围下冷却到室温为止，制得氧化镍-氯化钠催化剂前躯体；

第二步，制备硼碳氮纳米管-氯化钠复合粉末

将第一步制得的氧化镍-氯化钠催化剂前躯体置于石英方舟中，将该石英方舟置于水平管式炉恒温区，以180～240ml/min的流速向该管式炉中通入氢气并升温至550～750℃，保温1.5～3.5h，而后关闭氢气，再将体积比为氮气:硼酸甲酯蒸汽:甲烷=4～8:0.5～1:1的混合气以330～600ml/min的流速持续通入该管式炉中，在550～750℃下进行化学气相沉积反应0.5～1.5h，之后关闭硼酸甲酯蒸汽和甲烷并调整氮气流量，使上述管式炉在180～240ml/min流速的氮气氛围下冷却到室温为止，由此制得硼碳氮纳米管-氯化钠复合粉末，其中硼碳氮纳米管的质量百分含量为5.1～17.6%；

第三步，提纯硼碳氮纳米管