[发明专利]一种球磨与液相剥离相结合制备BN烯分散液的方法

说明书

技术领域

本发明涉及BN烯分散液的制备方法。

背景技术

氮化硼(boron nitride)具有优秀的物理化学性能，例如，高的击穿电压、低的介电常数、好的透波性、高热导率和优异的抗氧化性等，是一种重要的III-V族化合物。该材料在高温、高频、透波和光电子等方面具有巨大的应用前景，因此，BN微纳米材料的合成及结构测量、BN增韧陶瓷材料、光、电性能的测试和纳米器件的组装等已成为现在BN微纳米材料领域重要的研究方向。

石墨烯是由单层碳原子组成的二维蜂窝状原子晶体，其具有优异的电学、力学及热学性能，如抗拉强度为42N/m；比表面积为2630m²/g；热导率为5000Wm^-1k^-1；电子迁移率为200000m²/(V·S)。六方BN与石墨具有相似的层状结构，也有希望制备出原子层厚度的BN烯，氮化硼烯有可能综合了氮化硼和烯结构各自的优点，使其在复合材料、催化剂载体、气体吸附及纳米电子器件领域具有重要的应用前景。因此，实现BN烯的大规模、低成本、可控合成和制备具有重要意义。目前，BN烯的制备方法主要有：微机剥离法、液相剥离法、化学合成法、化学气相合成法。

微机剥离法是世界上第一次找到石墨烯所用的方法。2005年，Novoselov等人(Novoselov K S，Jiang D，Schedin F，et al.Two-dimensional atomic crystals[J].Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2005，102：10451-10453)采用该方法获得了具有原子层厚度的BN烯，这种方法可以得到大尺寸、高质量的BN烯，但是效率极低，只适用于对二维晶体材料的性质研究。

液相剥离法是在有机溶剂或加有分散剂的液相体系中对未经处理的层状材料，如石墨、BN、MoS₂等，直接进行超声处理，然后对分散液进行离心分离得到二维晶体材料，这样得到的层片几乎没有结构缺陷。Zhi等人(Zhi CY，Bando Y，Tang C C，Kuwahara H，Golberg D.Large-scale Fabrication of Boron Nitride Nanosheets and Their Utilization in Polymeric Composites with Improved Thermal and Mechanical Properties[J]Advanced Materials.2009，21(28)：2889-2893)采用tip-type声处理-离心分离的方法的制备出了具有几个原子厚度的BN烯。该方法的优点如下：获得了毫克量级得BN烯；基于高纯的先驱体，获得了纯的BN烯。可以通过离心分离的速度来调整纳米层片的平均厚度。得到的最薄的BN烯的厚度约为1.2nm(仅三层BN原子层)。后来Jonathan等人(Jonathan N，Coleman Mustafa Lotya，Arlene O Neill，et al.Two-Dimensional Nanosheets Produced by Liquid Exfoliation of Layered Materials[J].Science.2011，331：568-571)采用液相剥离层状材料制备了的几个原子层厚的二维结构，这些层状材料有MoS₂、WS₂及BN等，并且研究了这三种层状材料在不同溶剂里剥离的情况。以上两种方法采用的是有机溶剂，例如N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，有机溶剂和h-BN表面是极性和极性的相互作用，通过声处理能有效地分离出层状结构。由此合成的分散液除了含有溶剂分子外不会引入其它杂质，所以以上方法得到了广泛的应用。Yan Wang等人(Wang Y，Shi Z X，Yin J.Boron nitride nanosheets：large-scale exfoliation in methanesulfonic acid and their composites with polybenzimidazole[J].Mater.Chem.2011，21：11371-11377)第一次采用一种强酸甲磺酸为分散剂剥离了h-BN，研究结果证明得到的大部分BN纳米片在10层以下(<3nm)，得到的BN纳米片分散液的浓度达到0.3mg/ml，高于Zhi等人的0.03mg/ml和Jonathan等人的0.06mg/ml。另外，研究证明在酸性过多的条件下，碳纳米管或石墨烯会被氧化，因此他们通过红外光谱分析，证明了酸性过多条件下剥离h-BN不会在BN纳米片表面引入其他官能团。但是无论是以有机溶剂为分散剂还是以强酸为分散剂直接液相剥离h-BN，都存在耗时较长，得到的BN烯的量较低的缺点。