一种大规模制备功能化氮化硼纳米片的方法

本发明属于无机纳米材料制备领域，具体涉及一种六方氮化硼纳米片的制备方法，尤其涉及一种大规模制备改性氮化硼纳米片的方法。

背景技术：

1、氮化硼(bn)，由相同数量的硼(b)原子和氮(n)原子组成。bn的结构与碳类似，存在多种晶体形式，例如：六方氮化硼(h-bn)、菱方氮化硼(r-bn)、立方氮化硼(c-bn)、密排六方氮化硼(w-bn)。其中，h-bn与石墨结构类似，具有层状结构，是一种白色光滑的bn多晶，也是上述几种bn相态中对稳定的。在单个h-bn片层中，相邻原子间由共价键连接；相邻h-bn片层间同时存在范德华力和“lip-lip”作用。最终形成的多层h-bn可以稳定整体的结构，因此，从h-bn粉体中剥离少片层数h-bn纳米片比石墨烯更加困难。h-bn独特的结构使得其具有许多重要性质，包括电绝缘性、优异的抗氧化性、高导热性以及低膨胀系数等。因此，h-bn在高温、高频、抗辐射、大功率以及光电子等方面具有广阔的应用前景。然而，h-bn具有脆性和惰性的固有属性，这限制了其在多个应用领域的研究。

2、合成和加工条件的不同对h-bn的结构和性质都起着关键性作用，从而影响h-bn的应用性能。因此，h-bn的可控制备对其复合材料的性能非常关键。目前，主要有两种方法来制备单层和多层h-bn纳米片(bnns)，一是利用化学合成的方法(化学气相沉积、外延生长等)来制备单层bnns。然而，由于这些方法需要极端的温度和压力条件，同时制备过程繁琐而耗时，因此难以实现规模化生产。另一种方法是通过化学或机械方法将块状h-bn剥离成bnns。由于h-bn的化学惰性，在溶剂中难分散，普通的化学方法通常存在较低剥离效率的问题。相比之下，机械方法可以通过力学剥离、液相剥离(借助超声辅助、微波辅助、电场辅助等手段)从块状h-bn中获得bnns。近些年来，液体和固体球磨法已被广泛用于生产功能化的bnns，以增加其与水的相容性。虽然球磨法是实现bnns修饰的高效方法，但得到的功能化bnns水分散液的官能团密度、产率和浓度仍有待提高。

3、针对现有功能化bnns规模化生产中所存在的问题，研发一种官能团密度高、在分散基质中分散性好、片层较完整、层数较少的bnns的制备方法，并提供一种环保、操作简单、成本低廉、产率和浓度较高的大规模生产bnns的方法，具有重要的应用价值和实际意义。

技术实现思路

1、解决的技术问题：本发明提供一种大规模制备功能化氮化硼纳米片的方法，以解决上述背景技术中的提出的问题。本发明的制备方法具有环保、高效、低廉以及可规模化生产等特点；所得的氮化硼纳米片具有水分散性好、片层较为完整、热稳定性高、产率和浓度较高等优势。

2、技术方案：一种大规模制备功能化氮化硼纳米片的方法，包括以下步骤：(1)将氨基酸和氮化硼在小苏打水中进行混合后球磨，得到粘稠糊状物质，所述氨基酸和氮化硼混合的质量比为(5-25):1；(2)将上述糊状物质洗涤过滤后分散于去离子水中形成分散液，对分散液进行超声处理；(3)将超声处理后的分散液，经离心后去除下层沉淀物，得到功能化氮化硼纳米片分散液，经干燥后得到功能化氮化硼纳米片。

3、上述氨基酸为水溶性氨基酸，所述水溶性氨基酸为谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、酪氨酸、甘氨酸中的至少一种。

4、上述小苏打水的浓度为3wt.％-6wt.％，添加量与氨基酸和氮化硼混合物的质量比为1:(1-3)。

5、上述球磨中的球磨罐和球磨珠为氧化锆材质，球磨过程中的氧化锆球与原料的质量比(5-30):1；所述原料指氨基酸和氮化硼的混合物；球磨的时间为12h-48h，设备模式为球磨10min、停2min的间歇球磨模式；球磨转速为200-700rpm。

6、上述超声功率为400-1500w，超声时间为1-3h，超声处理的模式为的间歇超声模式，超声3-6s，停1-3s，采用冰水浴控制分散液的温度，设置细胞粉碎机报警温度设置为50℃。

7、上述离心转速为1000-2500r/min，离心时间为10-30min。

8、步骤(3)所述干燥过程，采用在烘箱中进行干燥，干燥温度为50-80℃，干燥时间为24-48h。

9、步骤(3)所述过滤的下层沉淀物继续重复进行步骤(2)和步骤(3)，重复次数为1-5次。

10、有益效果：(1)本发明大规模制备功能化氮化硼纳米片的方法，其制备过程中未使用有毒化学试剂，具有制备方法绿色环保、操作过程简单、成本较低、易重复等优点，制得的六方氮化硼纳米片分散性很好、片层数较低。

11、(2)本发明大规模制备功能化氮化硼纳米片的方法，既能得到氮化硼纳米片分散液又能得到氮化硼纳米片固体粉体，同时氮化硼表面修饰有羟基和胺基，有利于拓宽氮化硼纳米片的多种用途。

12、(3)本发明制备的氮化硼纳米片的得率在98％以上，氮化硼分散液的浓度可达到30mg/ml，其产率高，纯度高，杂质含量低，制备工艺成熟，产品功能性强大，易于工业化生产。

技术特征：

1.一种大规模制备功能化氮化硼纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将氨基酸和氮化硼在小苏打水中进行混合后球磨，得到粘稠糊状物质，所述氨基酸和氮化硼混合的质量比为（5-25）:1；（2）将上述糊状物质洗涤过滤后分散于去离子水中形成分散液，对分散液进行超声处理；（3）将超声处理后的分散液，经离心后去除下层沉淀物，得到功能化氮化硼纳米片分散液，经干燥后得到功能化氮化硼纳米片。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氨基酸为水溶性氨基酸，所述水溶性氨基酸为谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、酪氨酸、甘氨酸中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小苏打水的浓度为3 wt.%-6 wt.%，添加量与氨基酸和氮化硼混合物的质量比为1:（1-3）。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球磨中的球磨罐和球磨珠为氧化锆材质，球磨过程中的氧化锆球与原料的质量比（5-30）:1；所述原料指氨基酸和氮化硼的混合物；球磨的时间为12 h-48 h，设备模式为球磨10 min、停2 min的间歇球磨模式；球磨转速为200-700 rpm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声功率为400-1500 w，超声时间为1-3 h，超声处理的模式为的间歇超声模式，超声3-6 s，停1-3 s，采用冰水浴控制分散液的温度，设置细胞粉碎机报警温度设置为50 ℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离心转速为1000-2500 r/min，离心时间为10-30 min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）所述的干燥过程，采用在烘箱中进行干燥，干燥温度为50-80 ℃，干燥时间为24-48 h。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）所述过滤的下层沉淀物继续重复进行步骤（2）和步骤（3），重复次数为1-5次。

技术总结
一种大规模制备功能化氮化硼纳米片的方法，包括：（1）将氨基酸、氮化硼和小苏打水进行混合后放入球磨罐中球磨，得到粘稠糊状物质；（2）将上述糊状物质洗涤过滤后分散于去离子水中形成分散液，将所得分散液置于超声细胞粉碎仪中，对分散液进行超声处理；（3）将超声处理后的分散液，经离心后去除下层沉淀物，得到功能化氮化硼纳米片分散液，经干燥后得到功能化氮化硼纳米片。本发明制备的功能化氮化硼纳米片产率高，纯度高，杂质含量低，制备工艺成熟，制备方法绿色环保，操作过程简单，成本较低，产品功能性强大，易于工业化生产。

技术研发人员：刘超,肖惠宁,李雨,张昊宇,陈雅妮,李文斌
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13