控制合成硼碳氮材料的新方法探索.pdf

1、在本文中，我們借鑒水熱合成立方氮化硼過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合溶劑熱反應(yīng)過程的具體特點(diǎn)，首次將選相原位合成方法用于控制溶劑熱合成氮化硼的反應(yīng)過程，并初步探討了其中的關(guān)鍵影響因素以及晶體生長過程控制方法。在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，我們利用該方法成功制備了立方氮化硼納米晶，并發(fā)現(xiàn)了氮化硼晶體生長的基本規(guī)律。另外，我們還首次提出了一種新的水熱恒壓合成方法，并將它應(yīng)用于可控制備氮化碳材料的探索中。具體內(nèi)容如下： 為了增強(qiáng)溶劑熱合成氮化硼反應(yīng)過程

2、的可控性，提高反應(yīng)原料的利用率和樣品的產(chǎn)率，我們用三鹵化硼與有機(jī)堿的配合物取代三鹵化硼作為反應(yīng)原料制備氮化硼。在綜合考慮配合物的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及在溶劑中的溶解度等因素后，確定吡啶(C5H5N)與三溴化硼(BBr3)的配合物C5H5N-BBr3作為硼源。利用紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振以及熱分析對該配合物的性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，在此基礎(chǔ)上確定了主要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)；進(jìn)一步地，以氮化鋰(Li3N)作為氮源，在吡啶中與C5H5NBBr3反應(yīng)

3、制備了氮化硼納米晶，并對反應(yīng)過程的關(guān)鍵因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，反應(yīng)溫度、反應(yīng)原料摩爾配比和反應(yīng)體系的壓力等對產(chǎn)物的物相和結(jié)晶質(zhì)量具有重要影響。 利用CsHsN·BBr3為原料合成氮化硼時(shí)，雖然在一定程度上提高了原料的利用率和氮化硼的產(chǎn)率，但是由于受到實(shí)驗(yàn)方法自身的限制，還無法真正實(shí)現(xiàn)氮化硼的可控制備。為了加強(qiáng)對反應(yīng)過程的控制，我們進(jìn)一步將選相原位合成方法應(yīng)用于溶劑熱合成氮化硼的探索中。在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)：低的反應(yīng)溫度有利

4、于六方氮化硼(hBN)生成，而升高反應(yīng)溫度則利于提高立方氮化硼(cBN)的含量。在保持其他條件不變的情況下，將反應(yīng)溫度提高到320℃可以得到結(jié)晶質(zhì)量較好且粒度較大的cBN晶粒；如果L3N相對過量，那么hBN將被抑制，樣品的主要物相變成了cBN和正交氮化硼(eBN)。當(dāng)配合物CsHsN·BBr3與Li3N的摩爾比為1:5時(shí)，利用選相原位合成方法在250℃可以制備粒徑接近單分散的氮化硼納米晶。另外，預(yù)先向反應(yīng)釜充入高純氮?dú)?，使反?yīng)過程一開始

5、就在較高的壓力下進(jìn)行，制備的氮化硼樣品結(jié)晶質(zhì)量較差。利用苯和吡啶的混合溶劑合成氮化硼時(shí)，盡管制備的樣品整體結(jié)晶質(zhì)量不高，但是有利于對晶體生長過程的調(diào)控，能夠得到粒度較大的hBN微晶。與立方氮化硼類似，beta相氮化碳(β-C3N4)具有一系列優(yōu)異的性能和重要的應(yīng)用價(jià)值，因此有關(guān)它的可控制備方法的探索具有重要的意義。為了實(shí)現(xiàn)β-C3N4的可控制備，我們提出了一種新的水熱恒壓合成方法，利用這種方法，通過相對獨(dú)立地調(diào)變水熱反應(yīng)體系的溫度和壓力

6、，初步嘗試了用水熱恒壓合成方法制備氮化碳，并對反應(yīng)過程的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，提高反應(yīng)溫度(高于NaN3的分解溫度)不僅有利于氮化碳的生成和穩(wěn)定，而且有利于減少甚至避免氧化鐵雜質(zhì)的產(chǎn)生；提高反應(yīng)體系的壓力能夠抑制氮原子結(jié)合成氮分子的過程，減少氮源的損失和促進(jìn)氮化碳形成；經(jīng)過初步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件后，在300℃和160 MPa可以制備具有較高β-C3N4含量的氮化碳樣品。 對于氮化硼和氮化碳材料，它們的物相結(jié)構(gòu)、結(jié)晶質(zhì)量