碳/铁掺杂氮化硼材料的合成及吸附和光催化性能研究
发布时间：2021-07-12 18:56
氮化硼（BN）是一种不含金属的半导体材料,其六方相氮化硼（h-BN）具有片层态晶体结构,属常温最稳定相。相比于零带隙石墨烯材料,六方氮化硼材料具有可谐调的宽带隙能带结构而呈现超越碳材料的热稳定性,同时抗氧化、化学惰性等性能良好。其具备的高温导热活性、优良的高压介电性能、可透波吸收中子等独特理化性质,使其常用作复合材料的填充剂,用以提升材料综合性能。另外,多孔结构的h-BN材料具有较高的比表面积,吸附活性突出,在催化剂载体、吸附催化、生物医药领域以及其它极端环境条件下具有广泛的应用前景。本文着重研究了六方相氮化硼、掺杂碳（C）的硼碳氮（BCN）材料、Fe改性的Fe/BN材料的合成及吸附和光催化性能。同时研究了添加氮化硼的氮化硼/聚丙烯腈（BN/PAN）杂化纳米纤维的合成、热性能及吸附性能。具体内容和研究结果如下:（1）以无需提纯的硼酸和三聚氰胺为硼氮源,改变原料摩尔配比,在较低温度制备了超分子结构的氮化硼前驱体（2H3BO3·C6N6H6）,然后将其与不同比例的花生壳生物质炭粉末...
【文章来源】：中原工学院河南省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
六方晶系h-BN，立方晶系c-BN和三方晶系o-BN的晶体结构
中原工学院硕士学位论文4纳米管一般在500℃左右的时候开始剧烈的氧化，而氮化硼纳米管大于900℃的时候还未开始氧化。层与层间靠较弱的非共价键作用的范德华力结合起来。由于范德华力键能较小，使得h-BN层间间距大，易于滑动，直观的变现为滑腻感的白色蓬松粉末。但原子层间相互还是远比石墨层间力大。这是因为石墨层间以C-C键连接，而h-BN层间以B-N键相连，呈现部分离子化效应，B-N原子之间的“电焊”作用力使得层间有强烈的lip-lip相互作用，同时具有二维结构的范德华力。这使得研究h-BN剥离具有重要意义。图1.2晶体结构示意图(a)h-BN，(b)石墨[37]层间和层内的结构迥异性，使得氮化硼是一种典型的各向异性材料。水平面方向共价键形成的结构较致密，晶格振动频率高、传导速率快；热导率高(60W/(m.K)、热膨胀系数低(10–4量级)且抗张强度大(41MPa)。c轴方向上热导率缩小几十倍，介电损耗小(10–4量级)以及抗压强度优异[38]。1.3不同形貌的六方氮化硼随着人们对六方氮化硼的合成及性能研究日趋深入，制备出独特形貌的氮化硼材料一直是科研工作者不懈的追求。材料的形貌、尺寸都对材料的性能产生较大影响。按尺寸分，有纳米级的，也有亚微/微米级。按形貌分，微米级有常规的h-BN颗粒和无规则块状等，而纳米级的结构形貌繁多。主要有1)三维结构的3D架构[39]；2)二维结构的纳米薄膜[16-17、20、37]、纳米盘、纳米网、纳米片[7、23、27、40]；3)一维结构的纳米管[5、18、19]、纳米绳[41]、纳米带[42]、纳米纤维[25、43]；4)零维结构的纳米晶[6]、纳米球[44]；5)特种结构有包覆金属粒子的氮化硼纳米笼[45]、洋葱结构[46]和崩塌型结构[47]等。下面是近年来合成的各种形貌的氮化硼的电镜图片。
中原工学院硕士学位论文5图1.3不同形态的氮化硼(a)超细的多孔氮化硼纤维[43]；(b)亚微米氮化硼球形颗粒[44]；(c)3D纳米多孔氮化硼[39]；(d)氮化硼纳米带[42]；(e)氮化硼三角片[34]；(f)氮化硼崩塌结构[47]；(g)超薄氮化硼纳米片[40]；(h)微米级氮化硼大块粉体[48]；(i)氮化硼纳米片/纳米管杂交结构[49]1.4六方氮化硼材料的合成方法自从1995年等离子体电弧放电法首次合成BNNT[50]以来，氮化硼材料的合成研究引起了人们的极大兴趣。近些年来，随着对h-BN材料研究的不断深入，各种新的制备方法相继出现。下面对其中常用的合成方法进行详细介绍。1.4.1高温固相合成法高温固相合成方法是指将混合均匀的物料置于高温环境中使其发生反应。类似的原料混匀的机械研磨法则容易在细化时发生微粒团聚以及重结晶等化学反应。该法起步早，是氮化硼纳米粉体的常规的合成方法，主要用于工业化应用。若合成陶瓷制品用h-BN，原料选硼砂较好，采用一次通氨法，在900~1100℃即可得到化学活性较大的h-BN，用于热压成型的高温再处理。而用于合成c-BN，硼酸更合适，因为可生成高有序度和结晶度的h-BN；然后1300℃热处理10h，1800℃时只需几分钟即可，但高温硼含量要低。通入的氨气中常含微量水分，氮气含些许杂质，均会降低产品的纯度[51]。王运峰等[52]以工业级硼砂和尿素为例，高温反应探索合成高质量h-BN的最佳工艺。结果发现，原料配比中尿素要过量，大概摩尔比2:1，以防止硼砂珠和副产物消耗过多
【参考文献】：
期刊论文
[1]Hexagonal boron nitride adsorbent: Synthesis, performance tailoring and applications[J]. Jun Xiong,Jun Di,Wenshuai Zhu,Huaming Li. Journal of Energy Chemistry. 2020(01)
[2]氮化硼合成的工艺及性能研究[J]. 周莹莹,孙润军,张昭环,盛翠红,周丹. 硅酸盐通报. 2017(01)
[3]硼砂与尿素合成六方氮化硼的机理[J]. 赵凯,孙苒荻,朱高远,张红玲,张炳烛,徐红彬,张懿. 化学研究. 2016(04)
[4]六方氮化硼颗粒制备方法研究进展[J]. 何冬青,梁嘉鸣,梁兵. 材料导报. 2015(09)
[5]以氯化铵为添加剂制备高比表面六方氮化硼多孔材料及性能研究[J]. 袁颂东,熊坤,胡昆鹏,张运华,罗意,江国栋. 材料工程. 2013(10)
[6]前驱物法低温合成六方氮化硼[J]. 冯艳春,仲剑初,王洪志. 硅酸盐通报. 2012(04)
[7]六方氮化硼的合成与高温精制[J]. 郑盛智,刁杰. 辽东学院学报(自然科学版). 2008(02)
[8]立方氮化硼（cBN）特性综述[J]. 王光祖. 超硬材料工程. 2005(05)
[9]气相沉积h-BN陶瓷的应用[J]. 鲁燕萍. 真空电子技术. 2005(05)
[10]连续合成六方氮化硼的新工艺[J]. 胡婉莹. 现代技术陶瓷. 2002(02)
博士论文
[1]氮化硼纳米材料的制备及性能研究[D]. 袁颂东.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]碳掺杂六方氮化硼纳米片的合成及其在CO2电还原反应中的应用[D]. 曹芸.中国科学技术大学 2018
[2]多孔氮化硼的合成及其对罗丹明B和刚果红的吸附性能研究[D]. 肖星.河北工业大学 2015
[3]六方氮化硼纳米材料的功能化及其应用[D]. 吴建民.山东大学 2012
[4]化学气相合成六方氮化硼薄膜：生长、结构与性质[D]. 郝玉凤.哈尔滨工业大学 2008
[5]静电纺丝法制备氮化硼连续纳米纤维[D]. 尹静.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3280470
【文章来源】：中原工学院河南省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
六方晶系h-BN，立方晶系c-BN和三方晶系o-BN的晶体结构
中原工学院硕士学位论文4纳米管一般在500℃左右的时候开始剧烈的氧化，而氮化硼纳米管大于900℃的时候还未开始氧化。层与层间靠较弱的非共价键作用的范德华力结合起来。由于范德华力键能较小，使得h-BN层间间距大，易于滑动，直观的变现为滑腻感的白色蓬松粉末。但原子层间相互还是远比石墨层间力大。这是因为石墨层间以C-C键连接，而h-BN层间以B-N键相连，呈现部分离子化效应，B-N原子之间的“电焊”作用力使得层间有强烈的lip-lip相互作用，同时具有二维结构的范德华力。这使得研究h-BN剥离具有重要意义。图1.2晶体结构示意图(a)h-BN，(b)石墨[37]层间和层内的结构迥异性，使得氮化硼是一种典型的各向异性材料。水平面方向共价键形成的结构较致密，晶格振动频率高、传导速率快；热导率高(60W/(m.K)、热膨胀系数低(10–4量级)且抗张强度大(41MPa)。c轴方向上热导率缩小几十倍，介电损耗小(10–4量级)以及抗压强度优异[38]。1.3不同形貌的六方氮化硼随着人们对六方氮化硼的合成及性能研究日趋深入，制备出独特形貌的氮化硼材料一直是科研工作者不懈的追求。材料的形貌、尺寸都对材料的性能产生较大影响。按尺寸分，有纳米级的，也有亚微/微米级。按形貌分，微米级有常规的h-BN颗粒和无规则块状等，而纳米级的结构形貌繁多。主要有1)三维结构的3D架构[39]；2)二维结构的纳米薄膜[16-17、20、37]、纳米盘、纳米网、纳米片[7、23、27、40]；3)一维结构的纳米管[5、18、19]、纳米绳[41]、纳米带[42]、纳米纤维[25、43]；4)零维结构的纳米晶[6]、纳米球[44]；5)特种结构有包覆金属粒子的氮化硼纳米笼[45]、洋葱结构[46]和崩塌型结构[47]等。下面是近年来合成的各种形貌的氮化硼的电镜图片。
中原工学院硕士学位论文5图1.3不同形态的氮化硼(a)超细的多孔氮化硼纤维[43]；(b)亚微米氮化硼球形颗粒[44]；(c)3D纳米多孔氮化硼[39]；(d)氮化硼纳米带[42]；(e)氮化硼三角片[34]；(f)氮化硼崩塌结构[47]；(g)超薄氮化硼纳米片[40]；(h)微米级氮化硼大块粉体[48]；(i)氮化硼纳米片/纳米管杂交结构[49]1.4六方氮化硼材料的合成方法自从1995年等离子体电弧放电法首次合成BNNT[50]以来，氮化硼材料的合成研究引起了人们的极大兴趣。近些年来，随着对h-BN材料研究的不断深入，各种新的制备方法相继出现。下面对其中常用的合成方法进行详细介绍。1.4.1高温固相合成法高温固相合成方法是指将混合均匀的物料置于高温环境中使其发生反应。类似的原料混匀的机械研磨法则容易在细化时发生微粒团聚以及重结晶等化学反应。该法起步早，是氮化硼纳米粉体的常规的合成方法，主要用于工业化应用。若合成陶瓷制品用h-BN，原料选硼砂较好，采用一次通氨法，在900~1100℃即可得到化学活性较大的h-BN，用于热压成型的高温再处理。而用于合成c-BN，硼酸更合适，因为可生成高有序度和结晶度的h-BN；然后1300℃热处理10h，1800℃时只需几分钟即可，但高温硼含量要低。通入的氨气中常含微量水分，氮气含些许杂质，均会降低产品的纯度[51]。王运峰等[52]以工业级硼砂和尿素为例，高温反应探索合成高质量h-BN的最佳工艺。结果发现，原料配比中尿素要过量，大概摩尔比2:1，以防止硼砂珠和副产物消耗过多
【参考文献】：
期刊论文
[1]Hexagonal boron nitride adsorbent: Synthesis, performance tailoring and applications[J]. Jun Xiong,Jun Di,Wenshuai Zhu,Huaming Li. Journal of Energy Chemistry. 2020(01)
[2]氮化硼合成的工艺及性能研究[J]. 周莹莹,孙润军,张昭环,盛翠红,周丹. 硅酸盐通报. 2017(01)
[3]硼砂与尿素合成六方氮化硼的机理[J]. 赵凯,孙苒荻,朱高远,张红玲,张炳烛,徐红彬,张懿. 化学研究. 2016(04)
[4]六方氮化硼颗粒制备方法研究进展[J]. 何冬青,梁嘉鸣,梁兵. 材料导报. 2015(09)
[5]以氯化铵为添加剂制备高比表面六方氮化硼多孔材料及性能研究[J]. 袁颂东,熊坤,胡昆鹏,张运华,罗意,江国栋. 材料工程. 2013(10)
[6]前驱物法低温合成六方氮化硼[J]. 冯艳春,仲剑初,王洪志. 硅酸盐通报. 2012(04)
[7]六方氮化硼的合成与高温精制[J]. 郑盛智,刁杰. 辽东学院学报(自然科学版). 2008(02)
[8]立方氮化硼（cBN）特性综述[J]. 王光祖. 超硬材料工程. 2005(05)
[9]气相沉积h-BN陶瓷的应用[J]. 鲁燕萍. 真空电子技术. 2005(05)
[10]连续合成六方氮化硼的新工艺[J]. 胡婉莹. 现代技术陶瓷. 2002(02)
博士论文
[1]氮化硼纳米材料的制备及性能研究[D]. 袁颂东.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]碳掺杂六方氮化硼纳米片的合成及其在CO2电还原反应中的应用[D]. 曹芸.中国科学技术大学 2018
[2]多孔氮化硼的合成及其对罗丹明B和刚果红的吸附性能研究[D]. 肖星.河北工业大学 2015
[3]六方氮化硼纳米材料的功能化及其应用[D]. 吴建民.山东大学 2012
[4]化学气相合成六方氮化硼薄膜：生长、结构与性质[D]. 郝玉凤.哈尔滨工业大学 2008
[5]静电纺丝法制备氮化硼连续纳米纤维[D]. 尹静.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3280470
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