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怎样才能更好地制备、剥离六方氮化硼纳米片?

信息来源:本站 | 发布日期: 2023-09-18 15:02:23 | 浏览量:232232

摘要:

自从石墨烯大热,二维纳米材料的应用优势就得到了科学界的认可。与之比肩的优秀新材料——六方氮化硼(hBN),制成的六方氮化硼纳米片更是因其独特、优异的性能而倍受科学家的关注。而六方氮化硼纳米片的剥离和制备一直是近年来研究的热点和难点,更是制约其走向应用的关键…

自从石墨烯大热,二维纳米材料的应用优势就得到了科学界的认可。与之比肩的优秀新材料——六方氮化硼(hBN),制成的六方氮化硼纳米片更是因其独特、优异的性能而倍受科学家的关注。而六方氮化硼纳米片的剥离和制备一直是近年来研究的热点和难点,更是制约其走向应用的关键。



01
为什么要剥离?


氮化硼纳米片最大的优势在于它在沿面内方向具有更大的导热率,还具有超高的径厚比和电绝缘性,而目前关于它的应用研究中,主要集中于填充改性高分子材料上。


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氮化硼纳米片复合材料导热机理↑↑


由于氮化硼纳米片可在低填充率下提高聚合物基复合材料的导热率,并且可以改善复合材料的热性能、力学性能及磁性能等,因此它对于导热聚合物基复合材料的发展来说,必将具有重要意义。




02
六方氮化硼纳米片的剥离





机械剥离法





机械剥离法是制备BNNSs的一种常规方法,也是最早用来制备氮化硼原子晶体的方法,它是利用物理作用即对氮化硼晶体施加机械力将氮化硼进行层层剥离,这种方法主要包括胶带剥离法、球磨法、等离子体刻蚀法和流体剥离法。

01
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胶带剥离法


胶带剥离法最初是用来剥离石墨制备石墨烯材料的,但用来制备单层或少层的BNNSs效果并不是很理想,这是因为氮化硼结构和石墨结构之间的作用力不同,层内存在较强的离子键,导致层间的范德华力相对要强一些,所以增加了剥离的难度。虽然这种工艺操作简单、样品的结晶度高,但是不足之处是产量低,不易于工业化生产。

02
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球磨法


机械球磨法是利用硬球与氮化硼之间的相互作用,在球磨的过程中BN主要受剪切力和冲击力,在这两种力的作用下将块体氮化硼剥离。


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球磨法剥离六方氮化硼示意图↑↑


其中,在剪切力的作用下使氮化硼的截面尺寸变小,而冲击力的作用会使氮化硼的平面尺寸减小,并且球磨过程中产生的高能量也为氮化硼的剥离提供了能源,随着球磨时间的延长,氮化硼的三维尺寸也在逐渐的减小,直到氮化硼片减小到形成BNNSs。但是当时间增加到一定值时,氮化硼也会受到破坏。

03
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等离子体刻蚀法


等离子体刻蚀法是利用氮气和氧气的等离子体具有的高能量,去打开氮化硼层状材料或者氮化硼纳米管材料制备BNNSs的技术。虽然这种方法剥离BNNSs的成功率相对会提高,但是实验操作比较复杂,对设备具有非常高的要求,不利于大规模的生产

04
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流体剥离法


流体剥离法是利用流体高速流动提供的剪切力,推动氮化硼片层移动,使氮化硼得到有效的剥离,剥离原理如下图所示。


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化学剥离法





制备氮化硼纳米片的化学剥离法主要包括液相超声剥离法、离子插入剥离法和化学功能化剥离法。

01
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液相超声剥离法


液相超声法是利用特定的有机溶剂表面较强的表面张力,借助超声来破坏层状氮化硼粉末层与层之间的范德华力达到氮化硼剥离的效果,从而制备出BNNSs的技术。


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液相剥离层状材料示意图↑↑


这种方法操作比较简单,能够制备出多层的BNNSs,但是利用的溶剂比较昂贵,还会有毒性,并且BNNSs在溶液中的分散性很差,所以在移除溶剂时可能会造成BNNSs的重新团聚,因此用这种方法时溶剂的选择非常重要。

02
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离子插入剥离法


离子插入剥离法是将某些离子插入到氮化硼层中,例如金属离子或有机溶剂等,通过一定的反应,使氮化硼被剥离。Li等人因将NaOH和KOH混合,然后均匀加入六角氮化硼粉末,在高压锅内180℃下加热2小时,制备出了边缘卷积的氮化硼纳米片。这种方法在插入过程中对环境条件的要求比较苛刻,制备难度较高。





合成法





目前,制备氮化硼纳米片的合成法主要包括化学合成法、水热合成法、气相合成法等。

01
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化学合成法


化学合成法是将含有硼元素和氮元素的材料混合在一起,在特定的条件下发生相关的化学反应来制备BNNSs的方法,是制备BNNSs材料最直接的一种方法。此方法可以通过调节硼和氮反应物的量以及反应温度等反应参数来控制BNNSs的层数,以满足不同领域的实际需求。利用此方法制备BNNSs,虽然制备过程可控、产量高,但不足之处是结晶度不是很好。

02
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水热合成法


水热合成法是将水或有机溶剂作为反应溶剂,含硼和氮的化合物作为反应物,把反应物和反应溶剂混合后加入高压反应釜中,并加热高压反应釜,在高温高压下合成BNNSs的一种技术。虽然利用这种方法制备BNNSs比较绿色环保,但是也存在很多问题,如纯度不够高,产量低等。

03
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化学气相合成法


化学气相合成法是将含有B、N元素的反应气体,通入高温反应腔室,使得气体之间进行一定的化学反应,最终合成h-BN薄膜和BNNSs的一种技术。CVD法制备出的BNNSs尺寸分布均匀且表面光滑,也是制备BNNSs最常用的方法之一。这种方法的优势是操作简单,不需要任何模板,且反应温度低,但其不足之处是制备出的样品纯度低





总 结


鉴于目前的六方氮化硼纳米片的剥离和制备方法来看,每种方法均在不同层面上具有一定的不足和困难之处,要想获得一种适合工业生产的大规模剥离和高质量制备的方法,还有待科学家们不断地去探寻和研究。


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(a)石墨烯;(b)六方氮化硼


六方氮化硼小科普:

六方氮化硼(hBN)具有类石墨烯的层状结构,由B和N交替排列成无限延伸的六边形结构,有很强的B-N共价键,层与层之间由弱范德华力相结合,被称为“白色石墨烯”。具有机械强度高、吸附性能好、热稳定性好、导热系数高等优异性能。此外,还拥有卓越的抗氧化性、良好的润滑性能、宽的能隙带和电绝缘性,因此它的应用前景可以说是不可限量。

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