[发明专利]一种GaN纳米颗粒的制备方法

说明书

本发明公开了一种GaN纳米颗粒的制备方法，该方法将硝酸镓和三聚氰胺的混合物依次在惰性气氛和空气气氛下高温焙烧，即可得到GaN纳米颗粒。本发明方法制备的GaN纳米颗粒纯度高，制备过程简单、容易操作，成本低廉，具有工业化应用前景。

技术领域

本发明具体涉及一种氮化镓(GaN)纳米颗粒的制备方法。

背景技术

GaN具有纤锌矿和闪锌矿两种结构，化学性质稳定，在室温下，GaN不溶于水、酸和碱。GaN熔点较高，约为1700℃，硬度较大，是一种良好的涂层保护材料。GaN禁带宽度高达3.39eV，热导率高、耐高温，耐高电压，适合用于制作大功率电子器件以及蓝、绿光和紫外光发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等光学器件。此外，GaN在工业催化领域有望用来替代或部分替代贵金属等，具有重要的应用前景。文献(Thermal Non-Oxidative Aromatizationof Light Alkanes Catalyzed by Gallium Nitride，2014，126，14330-14333)报道了GaN在无氧条件下通过催化热解将低碳烷烃(包括甲烷，丙烷，正丁烷，正己烷以及环己烷)脱氢芳构化合成苯，相对于报道的分子筛催化剂而言，GaN催化剂具有更高的反应活性和稳定性。

目前，已报到的GaN纳米颗粒的制备方法有溶剂热法、溶胶凝胶法、机械合成法、无机热熔法以及表面固态晶体反应法。溶剂热法采用苯作为溶剂，GaCl₃作镓源，NaN₃作氮源。操作时先将镓源溶于有机溶剂中，再将氮源加入后一起转移至高压釜中，加热高压釜至280～300℃反应10～12小时，制备出氮化镓纳米颗粒。溶剂热法耗时较短且操作简便。但是，制备过程需要使用的溶剂苯和NaN₃有毒性，此外，NaN₃受震动和刮擦后易爆炸而极不稳定。溶胶凝胶法一般需要先制备镓的配合物作为前驱体，前驱体再经过搅拌、冷却、焙烧以及高温氨化最后合成纳米氮化镓。该方法操作简便，产物纯度较高，且可以选择廉价、低毒甚至无毒的配体制备前驱体，但是，该方法制备GaN步骤繁琐，周期长，在氨化过程中，升温速率、氨气流速以及反应温度等因素会影响产物的最终形貌，继而影响其性能和应用。机械合成法通过在氨气中将Ga₂O₃与Li₃N混合及机械化处理得到纳米GaN颗粒。但是，该方法因其使用的Li₃N价格昂贵并且具有一定毒性从而不适合工业化生产。无机热熔法以Ga₂O₃作为镓源，NH₄Cl作为氮源，过量金属镁粉作为还原剂，将三者混合均匀后装入高压釜中，马弗炉中650℃反应8小时，高压釜中的混合物经冷却、洗涤及干燥得到纳米GaN颗粒。该方法安全，但是反应中的操作需要在无水无氧环境下(如氮气填充的手套箱中)进行，制备成本高，条件苛刻。表面固相晶体反应法以CN₂H₂与Ga₂O₃作为前驱体，750℃下在安瓿瓶中反应。该方法合成过程简单，生成的GaN颗粒平均尺寸为40nm，但是，因其在反应过程中原料CN₂H₂分解释放出剧毒物质HCN，从而在很大程度上限制了该方法的进一步应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有GaN纳米颗粒制备方法存在的上述问题，提供一种操作简单、成本低廉、无毒无污染制备GaN纳米颗粒的方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：将硝酸镓和三聚氰胺按质量比为1:1～1:4充分研磨混合均匀后，先在惰性气氛下700～900℃焙烧1～4小时，然后在空气气氛中500～600℃焙烧1小时，冷却至室温，得到GaN纳米颗粒。

上述的硝酸镓和三聚氰胺的质量比优选为1:1～1:2。

上述制备方法中，优选先在惰性气氛下800～850℃焙烧1～2小时，然后在空气气氛中530～570℃焙烧1小时。