低溫制備多孔氮化硼納米材料及其性能研究第1頁/共35頁一、多孔材料簡介多孔材料普遍存在于我們的周圍，在結構、緩沖、減振、隔熱、消音、過濾等方面發揮著重大的作用。納米材料作為一種新興的材料，在電子、機械、化工、生物和醫學等領域具有廣泛的應用前景。多孔納米材料集納米材料和多孔材料的優點于一身，其潛在的應用前景同樣引起了廣泛的關注。第2頁/共35頁1.1

多孔材料定義是一類包含大量孔隙的材料，是一種由相互貫通或封閉的孔洞構成網絡結構的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構成

孔徑尺寸

材料成分微孔材料d<2nm介孔材料2nm<d<50nm大孔材料d>50nm多孔金屬材料多孔陶瓷材料多孔塑料分類第3頁/共35頁1.2

多孔氮化硼材料密度小比表面積大化學性質穩定熱導率高抗氧化性能好熔點高

催化劑載體氣體分子吸附材料化學分離與提純第4頁/共35頁1.3

多孔氮化硼納米材料的制備方法模板法高溫分解法自組裝法簡單化學合成法第5頁/共35頁二、介孔氮化硼的合成，表征及其性能測試2.1選題思路：1.在高溫環境下已經成功合成多孔氮化硼納米材料，但是這種高能耗的產出模式不符合綠色低碳的環境保護要求，探索在低溫下合成多孔氮化硼納米材料，具有十分重要的意義。2.模板法是合成多孔氮化硼納米材料的主要方式，但產物需經歷復雜的后期處理。探索無模板法制備多孔氮化硼，有利于大幅度提高生產效率。3.尿素具有較低的熔點(132.7°C)，分解溫度也比較低，可以作為低溫下合成氮化硼的氮源，而且其低廉的價格，也可以有效降低實驗的成本。第6頁/共35頁2.2實驗方案1.53gNaBH41.20gCO(NH2)2灰色的初始產物550°C10h白色懸濁液白色粉末稀鹽酸去離子水60°C干燥10h

第7頁/共35頁2.3結果與討論圖2.1.產物的XRD圖譜(a)和FTIR圖譜(b)第8頁/共35頁圖2.2.產物的TEM形貌和EDPb）第9頁/共35頁圖2.3.(a)產物的HRTEM形貌，(b)產物在700°C保溫1.5h后HRTEM形貌，插圖是晶格條紋圖像，(c)TGA-DTA曲線熱穩定性分析第10頁/共35頁圖2.4.氮氣吸附-脫吸等溫線(a)和DFT孔徑分布曲線(b)）氮氣吸附性能分析第11頁/共35頁圖2.5.多孔BN的FESEM圖像(a)，相應的CL圖像(b)和CL圖譜(c)發光性能測試第12頁/共35頁2.4

機理分析圖2.6.未處理的產物的XRD圖譜2CO(NH2)2+NaBH4=BN+NaCN+2NH3+CO2+3H2第13頁/共35頁1.CO(NH2)2分解成HCNO和NH3

2.HCNO與NaBH4生成硼烷和NaCN

3.硼烷與NH3生成環硼氮烷

4.環硼氮烷分解生成氮化硼

副產物NaCN,NH3，H2和CO2在形成多孔BN的過程中充當模板的作用。第14頁/共35頁2.5

小結通過NaBH4和

CO(NH2)2之間簡單的反應，在550°C保溫10h，成功合成了多孔BN，產率為65%。得到的多孔BN，比表面積達到219m2·g-1，平均孔徑分布在3.8nm，具有良好的陰極發光性能，其微觀形貌和結構具有很好的熱穩定性，在800°C內具有很好的抗氧化性能。第15頁/共35頁三、網孔狀氮化硼的制備3.1

選題思路：低溫下利用簡單的化學合成方法可以實現多孔納米氮化硼的制備，硫脲和尿素具有相似的分子結構，使用硫脲取代尿素，是否可以同樣能夠得到多孔結構？硫脲作為含硫元素化合物，在反應的過程中可以對大分子環硼氮烷的交聯起到一定的促進作用。第16頁/共35頁3.2

實驗方案實驗方案和制備介孔氮化硼類似，以硫脲作氮源與硼氫化鈉反應。第17頁/共35頁圖3.1.產物的XRD圖譜(a)和FTIR圖譜(b)3.3結果與討論第18頁/共35頁圖3.2.產物的TEM(a，b，c)和HRTEM(d，e，f)圖像。圖(a)中的插圖是相應的電子衍射圖像，圖(e)的插圖是BN網孔邊緣的晶格條紋相。第19頁/共35頁圖3.3.產物的TGA-DTA曲線熱穩定性分析第20頁/共35頁圖3.4.氮氣吸附-脫附等溫線(a)和DFT孔徑分布曲線(b)氮氣吸附分析第21頁/共35頁圖3.5.網孔狀BN的FESEM像(a)，相應的CL-SEM像(b)和CL圖譜(c)發光性能測試第22頁/共35頁3.4機理分析圖3.6.未經處理初始產物的XRD圖譜CS(NH2)2+2NaBH4→2BN+Na2S+C+6H2第23頁/共35頁環硼氮烷分子在含硫化合物的作用下發生相互交聯，分解后形成網狀結構的氮化硼。

第24頁/共35頁3.5小結在較低的溫度下利用硫脲和硼氫化鈉反應成功合成了網孔狀BN，產率為80%。硫脲的硫化作用促進了環硼氮烷分子的交聯，對于形成網孔狀的BN，起到了關鍵性的作用。得到的網孔狀的BN具有較大的比表面積220m2·g-1，優異的發光性能，良好的熱穩定性能和抗氧化性。第25頁/共35頁四、多孔氮化硼薄片的可控大量制備4.1

選題思路：氨基硫脲作為一種含硫化合物，在反應中也可以起到促進大分子交聯的作用，與尿素和硫脲相比，分子中氮原子的質量分數比較大，可以提供更加充足的氮源，有利于提高氮化硼的產率。第26頁/共35頁4.2

實驗方案氨基硫脲與硼氫化鈉反應的實驗方案如下表實驗編號反應溫度(°C)保溫時間(h)產物產量(g)160010大于0.9255010大于0.93500100.724450100.655400100655020.8755000.78第27頁/共35頁4.3

結果與討論溫度對產物的影響圖4.1.450°C，500°C，550°C和600°C保溫10h得到樣品的XRD圖譜第28頁/共35頁圖4.2.不同溫度下得到產物的典型的HRTEM圖像。(a和b)450°C，(c和d)500°C，(e)550°C，(f)600°C。第29頁/共35頁圖4.3.550°C保溫不同時間（(a)0h，(b)2h，(c)5h，(d)10h）得到產物的XRD圖譜保溫時間對產物的影響第30頁/共35頁氮氣吸附性能分析圖4.4.在不同溫度下保溫10h得到多孔BN薄片的氮氣吸附-脫吸等溫線，(a)450°C，(b)500°C，(c)550°C，(d)600°C。插圖是相應的DFT孔徑分布曲線。第31頁/共35頁熱穩定性分析圖4.5.在550°C保溫10h得到多孔BN薄片的TGA-DTA曲線第32頁/共35頁4.4

機理分析氨基硫脲分解產生的含硫化合物會促進環硼氮烷分子的相互交聯，交聯的環硼氮烷分子分解成具有多孔結構的BN。氨基硫脲分子相比較于尿素分子，要多一個氨基，在氨基硫脲分子分解時會產生較多的氨氣分子，當溫度達到550°C，產生的氣體在高溫和密閉的環境下，使反應釜內的壓力升高，有利于反應的充分進行，得到更多的產物，從而提高產物的產量。第33頁/共35頁4.5