自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公布了一种自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜及其制备方法。该柔性薄膜主要由立体排列（亦可称为“三维排列”）的氮化硼纳米片组装而成；其制备方法包括：以超顺排碳纳米管薄膜为模板，取B源和N源在设定条件下反应生成氮化硼纳米片并以三维排列的形态沉积于所述模板表面，形成CNT/BN纳米片复合薄膜；将CNT/BN纳米片复合薄膜置于含氧气氛中煅烧除去所述模板，获得所述柔性薄膜。本发明专利技术利用超顺排碳纳米管薄膜作为模板，以CVD等方式而形成了柔性薄膜，其具有三维组装结构、一定的机械强度和柔性，可独立支撑，便于宏观加工操作，在超疏水、深紫外发光、热界面材料等方面有着巨大的应用前景，且制备工艺简单，能实现批量生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米薄膜材料，特别涉及一种自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜及其制备方法，属于无机纳米材料

技术介绍
氮化硼(BN)具有许多优异的物理化学性质，比如优异的电绝缘性、高的导热系数、宽的直接带隙以及良好的化学惰性、耐高温、抗氧化性能，在诸多领域都有着广泛的应用前景。纳米级的氮化硼材料，由于大的比表面积以及量子效应、小尺寸效应，有着更为奇特的物理化学性质。其中，氮化硼纳米片由于具有类似于石墨烯的六元环平面结构，被称为“白石墨烯”，受到了广泛关注。目前，合成BN纳米片的方法主要为化学气相沉积法，在铜(Nano Lett.2010,10,3209-3215；Nano Lett.2012,12,161-166)、镍(Nano Lett.2010,10,4134-4139)、钌单晶体(ACS Nano,2011,5(9)7303-7309)以及硅(ACS Nano,2010,4(1),414-422；ACS Nano,5(8)6507–6515，CN 101255549A)等基底上合成。这些方法合成的BN纳米片依赖于基底支持。此外，也有粉体的BN纳米片合成方法见于报道。有采用“化学鼓泡”的方法(Adv.Mater.2011,23,4072-4076)，以及机械剥离法(Appl.Phys.Lett.2008,92,133107-1–133107-3.)合成粉体BN纳米片。同时，CN 103043634A也公布了一种氮化硼纳米片粉体的制备方法，将金属硼化物粉末与铵盐粉末混合，研磨均匀，密封于反应釜中，于400～700℃反应6～48小时，酸洗除去副产物，然后再水洗、醇洗至中性，离心分离后经真空干燥，得到六方氮化硼二维超薄纳米片。这些方法合成的BN纳米片宏观上呈粉体状态，不具有特定的组装结构。综上所述，现有方法合成的BN纳米片，要么无法脱离基底独立使用，要么无法形成特定的组装结构，限定了BN纳米片在某些特定场合的应用。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的主要目的在于提供一种具有三维组装结构的自支撑的氮
化硼纳米片柔性薄膜。本专利技术的另一目的在于提供一种制备所述自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜的方法。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：一种自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜，它主要由立体排列的氮化硼纳米片(Vertically Aligned Boron Nitride Nanosheets，亦可称为“三维排列”)组装而成。其中“三维排列”系指氮化硼纳米片均为站立状态，而非平面堆积状态。进一步的，所述柔性薄膜由复数相对于模板垂直站立的氮化硼纳米片排列组装而成。进一步的，所述氮化硼纳米片包括单层纳米片、少层纳米片或多层纳米片。进一步的，所述自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜具有与超顺排碳纳米管薄膜相应的网络取向，所述超顺排碳纳米管薄膜为单层超顺排碳纳米管薄膜或多层超顺排碳纳米管薄膜沿任意方向交叠形成的网络结构。进一步的，所述自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜的厚度为500nm～10μm。一种自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜的制备方法，包括：(1)以超顺排碳纳米管薄膜为模板，取B源和N源在设定条件下反应生成氮化硼纳米片并以三维排列的形态沉积于所述模板表面，形成CNT/BN纳米片复合薄膜；(2)将CNT/BN纳米片复合薄膜置于含氧气氛中煅烧除去所述模板，获得自支撑的柔性氮化硼纳米片薄膜。作为较为优选的实施方案之一，所述制备方包括：提供一CVD反应箱体，并在所述反应箱体内设置卷绕装置，连续地从可纺丝碳纳米管阵列中抽出超顺排碳纳米管膜，并卷绕到所述卷绕装置上，且在分布于可纺丝碳纳米管阵列和卷绕装置之间的超顺排碳纳米管薄膜下方设置B源前驱体；对超顺排碳纳米管薄膜和B源前驱体进行加热，使B源前驱体生成B源气体，并在达到B源与N源的反应温度时，向反应箱体内通入氮源，从而在超顺排碳纳米管薄膜上连续沉积氮化硼纳米片，形成CNT/BN纳米片复合薄膜并卷绕至卷绕装置上；反应完成后，将卷绕的CNT/BN纳米片复合连续薄膜取出，含氧气氛中煅烧除去碳纳米管，获得连续的自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜。作为较为优选的实施方案之一，所述制备方包括：取B粉和金属化合物粉体在900～1400℃反应产生的B2O2蒸汽作为B源，所述金属化合物粉体包括MgO或MgO与Fe2O3及FeO等之中至少一种的组合物。例如，其中一种反应的方程式为：B+MgO→B2O2(g)+Mg(g)。进一步优选的，B粉与MgO粉体的质量比为1：10～10：1。进一步优选的，Fe2O3和/或FeO的质量为所述B粉与金属化合物粉体总质量的0～90％。作为较为优选的实施方案之一，所述N源包括但不限于NH3或NH3与稀释气体的混合气体，所述稀释气体包括惰性气体(例如Ar等)或氮气。作为较为优选的实施方案之一，该制备方法包括：取B源和N源在温度为900～1400℃的条件下反应生成氮化硼纳米片并沉积于所述模板表面。例如，其中一种反应的方程式为：B2O2(g)+NH3→BN+H2O(g)。作为较为优选的实施方案之一，步骤(2)中采用的煅烧温度为550℃～850℃，煅烧时间为1～120min，所述含氧气氛可选自但不限于空气、纯氧气、氧气与氮气的混合气体中的任一种。进一步的，所述模板包括单层超顺排碳纳米管薄膜或由多层超顺排碳纳米管薄膜沿任意方向交叠形成的网络结构。由前述任一种方法制备的自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：通过利用超顺排碳纳米管薄膜作为模板，以CVD(化学气相沉积)等方式而形成了氮化硼纳米片薄膜，其具有三维组装结构、一定的机械强度和柔性，可独立支撑，便于宏观加工操作，在超疏水、深紫外发光、热界面材料等方面有着巨大的应用前景，且制备工艺简单，能实现批量生产。附图说明图1为本专利技术一典型实施方案中一种自支撑的氮化硼纳米片薄膜的制备工艺原理图；图2为本专利技术实施例1中自支撑的氮化硼纳米片薄膜的SEM照片；图3为本专利技术实施例1中自支撑氮化硼纳米片薄膜的TEM图片；图4为本专利技术实施例1中自支撑氮化硼纳米片薄膜的EDX能谱图；图5为本专利技术实施例2中自支撑氮化硼纳米片薄膜的合成原理及结构示意图图6为本专利技术实施例2中自支撑的氮化硼纳米片薄膜的照片；图7为本专利技术实施例2中自支撑的氮化硼纳米片薄膜的柔性展示照片。附图标记说明：10-坩埚；20-前驱物；30-超顺排碳纳米管薄膜；40-氧化铝陶瓷支架；50-氨气；60-CNT/BN复合薄膜；70-自支撑BN柔性薄膜。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，其主要是以单层的或者纵横交错的多层超顺排碳纳米管薄膜为模板，采用化学气相沉积法等在CNT薄膜等模板上沉积三维排列的BN纳米片，得到自支撑的CNT/BN纳米片复合薄膜，然后在含氧气氛中煅烧除去其中的碳纳米管，从而获得了自支撑的BN纳米片柔性薄膜。更为具体的，在一典型实施方案之中，本专利技术提供的一种自支撑BN纳米片柔性薄膜的制备方法可以包括：以超顺排碳纳米管薄膜为模板，采用化学气相沉积的方法，以B/MgO前驱物在高温下反应产生的B2O2蒸汽作为气态B源，用NH3作为N源。B2O2和NH3反应生成BN纳米片三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜，其特征在于它主要由三维排列的氮化硼纳米片组装而成，所述氮化硼纳米片包括单层纳米片、少层纳米片或多层纳米片。

【技术特征摘要】
1.一种自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜，其特征在于它主要由三维排列的氮化硼纳米片组装而成，所述氮化硼纳米片包括单层纳米片、少层纳米片或多层纳米片。2.根据权利要求1所述的自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜，其特征在于它具有与超顺排碳纳米管薄膜相应的网络取向，所述超顺排碳纳米管薄膜为单层超顺排碳纳米管薄膜或多层超顺排碳纳米管薄膜沿任意方向交叠形成的网络结构，且所述自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜的厚度为500nm～10μm，并具有超疏水性能，与水的接触角大于150°，同时还具有紫外发光特性。3.一种自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜的制备方法，其特征在于包括：（1）以超顺排碳纳米管薄膜为模板，取B源和N源在设定条件下反应生成氮化硼纳米片并以三维排列的形态沉积于所述模板表面，形成CNT/BN纳米片复合薄膜；（2）将CNT/BN纳米片复合薄膜置于含氧气氛中煅烧除去所述模板，获得自支撑的柔性氮化硼纳米片薄膜。4.根据权利要求3所述的自支撑的氮化硼纳米片柔性薄膜的制备方法，其特征在于包括：提供一CVD反应箱体，并在所述反应箱体内设置卷绕装置，连续地从可纺丝碳纳米管阵列中抽出超顺排碳纳米管膜，并卷绕到所述卷绕装置上，且在分布于可纺丝碳纳米管阵列和卷绕装置之间的超顺排碳纳米管薄膜下方设置B源前驱体；对B源前驱体进行加热，使B源前驱体生成B源气体，并在达到B源与N源的反应温度时，向反应箱体内通入氮源，从而在超顺排碳纳米管薄膜上连续沉积氮化硼纳米片，形成CNT/BN纳米片复合薄膜并卷绕至卷绕...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚亚刚，李涛涛，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32