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低温制备多孔氮化硼纳米材料及其性能研究.ppt

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    • 低温制备多孔氮化硼纳米材料低温制备多孔氮化硼纳米材料及其性能研究及其性能研究 主要内容主要内容一、多孔材料简介二、介孔氮化硼的合成,表征及其性能测试三、网孔状氮化硼的制备四、多孔氮化硼薄片的可控大量制备 一、多孔材料简介一、多孔材料简介多孔材料普遍存在于我们的周围,在结构、缓冲、减振、隔热、消音、过滤等方面发挥着重大的作用纳米材料作为一种新兴的材料,在电子、机械、化工、生物和医学等领域具有广泛的应用前景多孔纳米材料集纳米材料和多孔材料的优点于一身,其潜在的应用前景同样引起了广泛的关注 1.1 多孔材料定义多孔材料定义是一类包含大量孔隙的材料,是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料,孔洞的边界或表面由支柱或平板构成 孔径尺寸 材料成分微孔材料 d<2 nm介孔材料 2 nm50 nm多孔金属材料多孔陶瓷材料多孔塑料分类 1.2 多孔氮化硼材料多孔氮化硼材料密度小 比表面积大化学性质稳定热导率高抗氧化性能好熔点高 催化剂载体气体分子吸附材料化学分离与提纯 1.3 多孔氮化硼纳米材料的制备方法多孔氮化硼纳米材料的制备方法•模板法•高温分解法•自组装法•简单化学合成法 二、介孔氮化硼的合成,表征及二、介孔氮化硼的合成,表征及其性能测试其性能测试2.1 选题思路:思路:1.在高温环境下已经成功合成多孔氮化硼纳米材料,但是这种高能耗的产出模式不符合绿色低碳的环境保护要求,探索在低温下合成多孔氮化硼纳米材料,具有十分重要的意义。

      2.模板法是合成多孔氮化硼纳米材料的主要方式,但产物需经历复杂的后期处理探索无模板法制备多孔氮化硼,有利于大幅度提高生产效率3.尿素具有较低的熔点(132.7 °C ),分解温度也比较低,可以作为低温下合成氮化硼的氮源,而且其低廉的价格,也可以有效降低实验的成本 2.2 实验方案方案1.53g NaBH41.20gCO(NH2)2灰色的初始产物550 °C10 h白色悬浊液白色粉末稀盐酸去离子水60 °C干燥10 h 2.3 结果与果与讨论图2.1. 产物的XRD图谱(a)和FTIR图谱(b) 图 2.2. 产物的TEM形貌和EDPb) 图2.3. (a)产物的HRTEM形貌,(b)产物在700 °C保温1.5 h后HRTEM形貌,插图是晶格条纹图像,(c)TGA-DTA曲线热稳定性分析 图 2.4.氮气吸附-脱吸等温线(a)和DFT孔径分布曲线(b) )氮气吸附性能分析 图2.5.多孔BN的FESEM图像(a),相应的CL图像(b)和CL图谱(c)发光性能测试 2.4 机理分析机理分析图2.6. 未处理的产物的XRD图谱2CO(NH2)2 + NaBH4 = BN + NaCN + 2NH3 + CO2+ 3H2 1.CO(NH2)2分解成HCNO和NH32.HCNO与NaBH4生成硼烷和 NaCN3.硼烷与NH3生成环硼氮烷4.环硼氮烷分解生成氮化硼副产物NaCN, NH3,H2和CO2 在形成多孔BN的过程中充当模板的作用。

      2.5 小结小结•通过NaBH4和 CO(NH2)2之间简单的反应,在550 °C保温10 h,成功合成了多孔BN,产率为65 %•得到的多孔BN,比表面积达到219 m2·g-1,平均孔径分布在3.8 nm,具有良好的阴极发光性能,其微观形貌和结构具有很好的热稳定性,在800 °C内具有很好的抗氧化性能 三、网孔状氮化硼的制备三、网孔状氮化硼的制备3.1 选题思路:选题思路:低温下利用简单的化学合成方法可以实现多孔纳米氮化硼的制备,硫脲和尿素具有相似的分子结构,使用硫脲取代尿素,是否可以同样能够得到多孔结构?硫脲作为含硫元素化合物,在反应的过程中可以对大分子环硼氮烷的交联起到一定的促进作用 3.2 实验方案实验方案实验方案和制备介孔氮化硼类似,以硫脲作氮源与硼氢化钠反应 图3.1. 产物的XRD图谱(a)和FTIR图谱(b)3.3 结果与果与讨论 图3.2. 产物的TEM(a,b,c)和HRTEM(d,e,f)图像图(a)中的插图是相应的电子衍射图像,图(e)的插图是BN网孔边缘的晶格条纹相 图3.3. 产物的TGA-DTA曲线热稳定性分析 图3.4.氮气吸附-脱附等温线(a)和DFT孔径分布曲线(b)氮气吸附分析 图3.5. 网孔状BN的FESEM像(a),相应的CL-SEM像(b)和CL图谱(c)发光性能测试 3.4 机理分析机理分析图3.6. 未经处理初始产物的XRD图谱CS(NH2)2 + 2NaBH4 → 2BN + Na2S + C + 6H2 环硼氮烷分子在含硫化合物的作用下发生相互交联,分解后形成网状结构的氮化硼。

      3.5 小小结•在较低的温度下利用硫脲和硼氢化钠反应成功合成了网孔状BN,产率为80 %硫脲的硫化作用促进了环硼氮烷分子的交联,对于形成网孔状的BN,起到了关键性的作用•得到的网孔状的BN具有较大的比表面积220 m2·g-1,优异的发光性能,良好的热稳定性能和抗氧化性 四、多孔氮化硼薄片的可控大量四、多孔氮化硼薄片的可控大量制备制备4.1 选题思路:选题思路:氨基硫脲作为一种含硫化合物,在反应中也可以起到促进大分子交联的作用,与尿素和硫脲相比,分子中氮原子的质量分数比较大,可以提供更加充足的氮源,有利于提高氮化硼的产率 4.2 实验方案实验方案氨基硫脲与硼氢化钠反应的实验方案如下表实验编号号反反应温度温度(°C)保温保温时间(h)产物物产量量(g)160010大于0.9255010大于0.93500100.724450100.655400100655020.8755000.78 4.3 结果与讨论结果与讨论温度对产物的影响图4.1. 450 °C,500 °C,550 °C和600 °C保温10 h得到样品的XRD图谱 图4.2. 不同温度下得到产物的典型的HRTEM图像a和b)450 °C,(c和d) 500 °C,(e)550 °C,(f)600 °C。

      图4.3. 550 °C保温不同时间((a) 0 h,(b) 2 h,(c)5 h ,(d) 10 h)得到产物的XRD图谱保温时间对产物的影响 氮气吸附性能分析图 4.4. 在不同温度下保温10 h得到多孔BN薄片的氮气吸附-脱吸等温线,(a) 450 °C,(b) 500 °C ,(c) 550 °C ,(d) 600 °C插图是相应的DFT孔径分布曲线 热稳定性分析图 4.5. 在550 °C保温10 h得到多孔BN薄片的TGA-DTA曲线 4.4 机理分析机理分析氨基硫脲分解产生的含硫化合物会促进环硼氮烷分子的相互交联,交联的环硼氮烷分子分解成具有多孔结构的BN氨基硫脲分子相比较于尿素分子,要多一个氨基,在氨基硫脲分子分解时会产生较多的氨气分子,当温度达到550 °C ,产生的气体在高温和密闭的环境下,使反应釜内的压力升高,有利于反应的充分进行,得到更多的产物,从而提高产物的产量 4.5 小结小结•以氨基硫脲和硼氢化钠作为反应物,在550-600 °C保温10 h,成功制备多孔BN薄片,其产率达到90 %以上•得到的多孔BN薄片具有较大的比表面积,良好的热稳定性和优异的抗氧化性能,这些优良的性能可以使多孔BN薄片适应苛刻的外界环境条件,充当催化剂载体或者化学分离的分子筛等。

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