以氨硼烷为先驱体制备BN微纳米材料及其机理研究

论文摘要

作为C微纳米材料的类似物,BN微纳米材料具有低密度、耐高温、抗氧化、生物相容性好等一系列优点,在紫外激光器件、生物传感器、复合材料增强体、储氢材料等诸多领域具有广阔的应用前景。但是与C微纳米材料相比,BN微纳米材料的制备却面临着许多困难,如对反应条件要求苛刻,产物的产量低、纯度差等。主要的原因在于适合于制备BN微纳米材料的先驱体材料极其有限,因此找到合适的BN先驱体是解决上述问题的关键。氨硼烷（BH3NH3）是一种只含有B,N和H元素的固体物质,虽然早在1955年即被首次合成,人们对这种物质的高温分解行为以及能否用它来制备BN微纳米材料的认识还非常有限。本文较为系统地研究了氨硼烷的热分解过程,并且以氨硼烷为先驱体,采用化学气相反应法,在气氛压力反应炉中成功制备出了多种BN微纳米材料。证明了氨硼烷是一种优秀的制备BN微纳米材料的先驱体。本文所取得的主要研究成果概括如下。通过第一原理计算研究了氨硼烷的电子结构和成键特征。计算表明,B原子和N原子分别与H原子形成共价键,而B原子和N原子之间由配位键连接;电子从N原子转移到B原子导致了BH3NH3单元之间的氢键相互作用和偶极相互作用,BH3NH3单元之间的相互作用能为15.1kJ/mol,这是维持氨硼烷结构稳定性的根本原因。TG-DSC-MS分析表明,在1000°C以前,氨硼烷有50%以上的质量损失,损失的这部分氨硼烷转变为硼烷、硼吖嗪以及氨气等多种含有B元素和N元素的气体,而氨硼烷分解所剩余的固体物质为BN纳米晶片,对其进行阴极荧光分析表明,BN纳米晶片的发射谱带处于200-400nm的紫外区,可作为紫外发光材料使用。以氨硼烷作为BN先驱体成功制备了BN纳米管。详细地表征了纳米管的结构、磁学性能以及光学性能;系统地研究了催化剂、反应温度、气压等工艺条件对氮化硼纳米管生长的影响;阐述了纳米管的生长机制。BN纳米管的形貌分为两种,一种为竹节状,另一种为圆柱状。铁粉、氧化铁、四氧化三铁和二茂铁等含铁物质在适当的工艺条件下都可以作为BN纳米管的催化剂,二茂铁的催化效果最佳;在适当的工艺条件下,BN纳米管转变为BN晶须。根据热力学理论并结合VLS生长机制,建立了BN纳米管及BN晶须的生长模型,从理论上对BN纳米管的形貌随工艺条件的变化规律给予了合理的解释。理论分析表明,催化剂粒子太小或太大均不利于BN层片的析出。对BN纳米管磁学性能的研究表明,氮化硼纳米管对其包覆的磁性纳米粒子能起到有效的保护作用。光致发光光谱和阴极荧光光谱的研究表明,BN纳米管以及BN晶须均为发光性能优异的紫外发光材料。以氨硼烷为原料,在石墨纸衬底上制备了碗状和鸟巢状BN微米空心球。对BN微米空心球的结构进行了详细表征,研究了反应温度、气压、气氛等工艺参数对BN微米空心球的结构的影响,提出了生长模型,研究了BN微米空心球的阴极荧光性能。结果表明,BN微米空心球的平均直径为3.4μm,壁厚约为200nm,随着温度的升高,碗状BN微米空心球逐渐转变为鸟巢状。气压对BN微米空心球的影响不显著。碗状BN微米空心球表现出特别的拉曼散射性质,本文在共振拉曼的理论框架下给予了解释。BN微米空心球的阴极荧光发射谱带在200-400nm的紫外区域,表明它们可作为紫外发光器件的候选材料。以氨硼烷和SiC/SiO2纳米电缆为原料,制备了SiC/SiO2/BN纳米电缆。对纳米电缆的结构进行了详细表征,探讨了其光致发光性能,研究了反应气氛浓度对SiC/SiO2/BN纳米电缆结构的影响,阐述了纳米电缆的生长机制。研究结果表明,纳米电缆的直径约为100nm,SiO2和BN层的厚度分别为10nm和5nm。SiC/SiO2/BN纳米电缆的光致发光谱与原始SiC/SiO2纳米电缆的基本相同,但488.5nm处的发射峰发生了一定程度的蓝移。当通过提高氨硼烷用量来提高反应气氛浓度时,原始的SiC/SiO2纳米电缆转变为BN纳米管,这表明在高温条件下,SiC和SiO2能被氢气所分解。以氨硼烷和Sialon纳米带为原料,制备了多晶BN纳米带,对其结构进行了详细表征,并讨论了其生长机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 BN 的结构与基本性质
• 1.3 一维BN 微纳米材料的研究现状
• 1.3.1 BN 纤维
• 1.3.2 BN 纳米管
• 1.3.3 BN 晶须
• 1.4 其它BN 微纳米材料的研究现状
• 1.4.1 SiC/BN 核/壳纳米电缆
• 1.4.2 BN 薄片
• 1.4.3 BN 纳米晶片
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 实验材料与研究方法
• 2.1 实验用化学试剂
• 2.2 材料制备方法
• 2.3 分析表征方法
• 2.3.1 物相表征方法
• 2.3.2 形貌及结构的表征方法
• 2.3.3 性能测试方法
• 2.3.4 差热-热重分析
• 2.4 计算机模拟方法
• 第3章 氨硼烷的成键特征及其分解行为研究
• 3.1 引言
• 3.2 氨硼烷的合成
• 3.3 氨硼烷的成键特征及分解机制
• 3.3.1 氨硼烷的晶胞结构
• 3.3.2 氨硼烷的态密度分析
• 3.3.3 氨硼烷的差分电荷密度分析
• 3.3.4 氨硼烷的分解机制
• 3.4 氨硼烷受热分解的实验研究
• 3.4.1 氨硼烷的TG-DSC-MS 分析
• 3.4.2 氨硼烷热分解产物的结构表征
• 3.4.3 BN 晶片的阴极射线光谱
• 3.5 本章小结
• 第4章 BN 纳米管与BN 晶须的制备及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 BN 纳米管的制备及性能研究
• 4.2.1 BN 纳米管的制备
• 4.2.2 BN 纳米管的结构表征
• 4.2.3 催化剂对BN 纳米管生长的影响
• 4.2.4 初始压强和反应温度对BN 纳米管生长的影响
• 4.2.5 BN 纳米管的生长机制
• 4.2.6 BN 纳米管的光学性能
• 4.2.7 竹节状BN 纳米管的磁学性能
• 4.3 BN 晶须的制备及发光性能研究
• 4.3.1 BN 晶须的制备
• 4.3.2 BN 晶须的形貌及结构表征
• 4.3.3 初始压强和反应温度对BN 晶须生长的影响
• 4.3.4 BN 晶须的生长机制
• 4.3.5 BN 晶须的发光性能
• 4.4 BN 片层从催化剂中析出的热力学模型
• 4.4.1 模型的建立
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 第5章 BN 微米空心球的制备及光学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 碗状BN 微米空心球的制备及光学性能研究
• 5.2.1 碗状BN 微米空心球的制备
• 5.2.2 碗状BN 微米空心球的结构表征
• 5.2.3 工艺参数对BN 微米空心球生长的影响
• 5.2.4 碗状BN 微米空心球的生长机制
• 5.2.5 碗状BN 微米空心球的拉曼光谱
• 5.2.6 碗状BN 微米空心球的阴极荧光性能
• 5.3 鸟巢状BN 微米空心球的制备及荧光性能研究
• 5.3.1 鸟巢状BN 微米空心球的制备
• 5.3.2 鸟巢状BN 微米空心球的结构表征
• 5.3.3 鸟巢状BN 微米空心球的生长机制
• 5.3.4 鸟巢状BN 微米空心球的阴极荧光性能
• 5.4 本章小结
• 2/BN 纳米电缆及多晶BN 纳米带的制备及荧光性能研究'>第6章 SiC/SiO₂/BN 纳米电缆及多晶BN 纳米带的制备及荧光性能研究
• 6.1 引言
• 2/BN 纳米电缆的制备及荧光性能研究'>6.2 SiC/SiO₂/BN 纳米电缆的制备及荧光性能研究
• 2/BN 纳米电缆的制备'>6.2.1 SiC/SiO₂/BN 纳米电缆的制备
• 2/BN 纳米电缆的结构表征'>6.2.2 SiC/SiO₂/BN 纳米电缆的结构表征
• 2/BN 纳米电缆生长的影响'>6.2.3 气氛浓度对SiC/SiO₂/BN 纳米电缆生长的影响
• 6.2.4 SiC/BN 纳米电缆的制备
• 2/BN 纳米电缆的生长机制'>6.2.5 SiC/SiO₂/BN 纳米电缆的生长机制
• 2/BN 纳米电缆的光致发光性能'>6.2.6 SiC/SiO₂/BN 纳米电缆的光致发光性能
• 6.3 多晶BN 纳米带的制备及工艺研究
• 6.3.1 多晶BN 纳米带的制备
• 6.3.2 多晶BN 纳米带的结构表征
• 6.3.3 多晶BN 纳米带的生长机制
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历