CN109336127A

CN109336127A - 一种硼烯及其制备方法

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Publication number: CN109336127A
Application number: CN201811456915.8A
Authority: CN
Inventors: 张培新; 马定涛
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-02-15

Abstract

本发明公开了一种硼烯及其制备方法。本发明通过将硼源与氧化剂加入到极性有机溶剂中，在密封条件下，经长时间搅拌处理，得到反应产物，对所得到的反应产物进行抽滤，得到硼纳米片粉末，再将硼纳米粉末分散在极性有机溶剂中，经超声波液相剥离处理，得到分散液，再经离心处理得到硼烯，与现有技术相比，具有化学过程简单，生产成本较低，事宜大规模制备硼烯的优点。

Description

一种硼烯及其制备方法

技术领域

本发明涉及二维纳米材料制备技术领域，尤其涉及一种硼烯及其制备方法。

背景技术

自从石墨剥离得到石墨烯取得成功以来，科学界对二维纳米材料的研究兴趣很大，近年来已成为研究的核心。各种各样的原子级超薄二维材料都陆续从层状固体材料中衍生而来，众多研究对这些材料从电子（即场效应晶体管，光伏，传感）到膜技术（即脱盐，纳米孔传感）再到能量储存和催化（即超级电容器，光催化，水分解）等不同的领域的应用进行了探索。

尽管如此，新型二维材料的发现与合成仍然是材料领域最艰巨的挑战之一。组成元素、生长基质和制备条件等多种因素，都对合成单层二维材料起到了关键作用。硼烯具有各向异性和金属性，因此被描述为最轻的二维金属，同时也表现出独特的机械、光学和各向异性金属性，这是对传统二维材料的补充。硼-硼键的多中心特性致使其在结构上容易形成空位结构，因此在电子应用、化学官能化、材料合成和复杂结构构造方面，为二维材料领域提供了前所未有的多样性。

虽然硼烯已经引起了广泛的研究兴趣，但是由于块体硼粉本身并不属于层状结构，同时兼具复杂的晶体结构，对于硼烯的合成还不是很清晰。早期的探索中，硼烯的合成中面临的主要挑战是硼易被污染、原料纯度以及基体的可兼容性。近期，有两个独立的研究同时采用了超真空分子束外延（UHV-MBE）技术、纯固相硼为前驱体和（111）面的银为基体来合成硼烯，但是要想测试硼烯本身的性能，还需要去除基体以及生长在基体上其他物质的影响。目前制备硼烯所用设备价格高昂，制备条件要求苛刻，化学过程复杂，生产成本较高，要想大规模制备硼烯并在实际中得到应用仍有很大困难。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种硼烯的制备方法，旨在解决现有技术工艺复杂，目标产物产量低，对生产设备要求高的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种硼烯的制备方法，其中，包括步骤：

将硼源、氧化剂与有机溶剂混合，反应后得到硼纳米片粉末；

再将所述硼纳米片粉末加入到有机溶剂中，在恒温条件下，用超声波对含有硼纳米片粉末的溶液进行液相剥离处理，得到分散液；

将所述分散液进行离心分离，保留底部沉淀物，得到硼烯。

所述的制备方法，其中，所述硼源为二硼化钛、二硼化铝、二硼化镁、六硼化硅和六硼化钙中的一种或多种。

所述的制备方法，其中，所述氧化剂为硝酸、溴、碘、高锰酸钾和过氧化氢中的一种或多种。

所述的制备方法，其中，所述有机溶剂为水、乙腈、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚枫中的一种或多种。

所述的制备方法，其中，按所述硼源与所述氧化剂的摩尔质量比为1:1-10的比例，将硼源、氧化剂与有机溶剂混合，反应后得到硼纳米片粉末。

所述的制备方法，其中，所述步骤将硼源、氧化剂与有机溶剂混合，反应后得到硼纳米片粉末，具体包括：

将硼源、氧化剂与有机溶剂加入到塑料容器中，在搅拌条件下反应1-40天，得到反应产物；

将所述反应产物进行抽滤得到粉末物；再将所述粉末物在真空条件下进行干燥处理，得到硼纳米片粉末。

所述的制备方法，其中，所述在恒温条件下，用超声进行液相剥离处理，其中，恒温温度为5-25℃，超声时间为1-15小时。

所述的制备方法，其中，所述步骤将所述分散液进行离心分离，保留底部沉淀物，得到硼烯，具体包括：

将所述分散液进行第一次离心处理，取离心后的上层清液，进行第二次离心分离，保留底部沉淀物，得到硼烯；所述第一次离心分离的条件为离心转速500-5000 r/min，离心时长为1-60min；所述第二次离心分离的条件为离心转速1000-18000 r/min，离心时长为1-60min。

所述的制备方法，其中，所述步骤将所述分散液进行离心分离，保留底部沉淀物，得到硼烯之后还包括：

将得到的硼烯用有机溶剂进行转换，转换后在40-80℃温度条件下真空干燥1-10小时，得到硼烯纳米片。

一种硼烯，其中，采用上述所述的制备方法制备得到

有益效果：本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)、设备简单安全，操作简单，成本较低。

(2)、所得产品产量高，杂质少。

(3)、适宜大批量生产，具有较高的商业价值。

附图说明

图1为本发明一种硼烯制备方法较佳实施例的流程图。

图2为本发明一种硼烯制备方法较佳实施例中步骤S10的流程图。

图3为本发明实施例1中硼烯纳米片的扫描电镜图。

图4为本发明实施例2中硼烯纳米片的扫描电镜图。

图5为本发明实施例3中硼烯纳米片的扫描电镜图。

图6为本发明实施例4中硼烯纳米片的扫描电镜图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，其为本发明硼烯的制备方法较佳实施例的流程图。所述制备方法具体包括：

S10、将硼源、氧化剂与有机溶剂混合，反应后得到硼纳米片粉末；

S20、再将所述硼纳米片粉末加入到有机溶剂中，在恒温条件下，用超声波对含有硼纳米片粉末的溶液进行液相剥离处理，得到分散液；

S30、将所述分散液进行离心分离，保留底部沉淀物，得到硼烯。

针对现有技术中硼烯的制备方法复杂，依赖价格高昂的设备、产率低的问题，本发明通过将硼源与氧化剂加入到极性有机溶剂中，在密封条件下，经长时间搅拌处理，得到反应产物，对所得到的反应产物进行抽滤，得到硼纳米片粉末，再将硼纳米粉末溶解在极性有机溶剂中，经超声波液相剥离处理，得到分散液，再经离心处理得到硼烯，与现有技术相比，具有化学过程简单，生产成本较低，事宜大规模制备硼烯的优点。

在一种实施方式中，所述硼源可以是二硼化钛（TiB₂）、二硼化铝（AlB₂）、二硼化镁（MgB₂）、六硼化硅(SiB₆)和六硼化钙（CaB₆）等中的一种或多种，但不限于此。

在一种实施方式中，所述氧化剂可以为硝酸、溴、碘、高锰酸钾和过氧化氢等中的一种或多种，但不限于此。

在一种实施方式中，所述有机溶剂为极性有机溶剂，极性有机溶剂可以为乙腈、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二甲基亚枫（DMSO）和水等中的一种或多种，但不限于此。

在一种实施方式中，所述步骤S10中，按所述硼源与所述氧化剂的摩尔质量比为1:1-10的比例进行混合。较佳地，硼源与所述氧化剂的摩尔质量比为1:1.5。

在一种实施方式中，如图2所示，所述步骤S10具体包括：

S101、将硼源、氧化剂与有机溶剂加入到塑料容器中，在搅拌条件下反应1-40天，得到反应产物；

S102、将所述反应产物进行抽滤得到粉末物；再将所述粉末物在真空条件下进行干燥处理，得到硼纳米片粉末。

具体来说，将硼源与氧化剂加入到有机溶剂中后，因为需要长时间搅拌，有机溶剂易挥发因此要将其进行密封。进一步地，搅拌速度为100-800 r/min（如400 r/min），搅拌时间为30天，以保证反应能够彻底进行。

进一步地，搅拌结束后，将步骤S101中的产物进行抽滤，抽滤得到的粉末用极性有机溶剂反复进行润洗，超声分散处理，抽滤等步骤1-6次，以去除反应副产物。

在一种优选的实施方式中，将步骤S102中抽滤后所得的粉末在真空条件下，40-80℃（如60℃）干燥1-10个小时后，得到纯净的硼纳米片粉末。

在一种实施方式中，所述步骤S20中，所述在恒温条件下，用超声进行液相剥离处理，具体来说，是采用恒温水浴加热的方式，将温度控制在5-25℃，超声机进行液相剥离处理，超声机功率50-800W，超声处理时间为1-15小时。需要说明的是，此步骤中的加热方式也可是是其他的恒温加热，如可以是电磁、油浴等等，并不仅限于所列举的恒温水浴。

在一种实施方式中，所述步骤S30具体包括：将所述分散液进行第一次离心处理，取离心后的上层清液；将所得到的上层清液进行第二次离心分离，保留底部沉淀物，除去上层清液，得到硼烯；其中，所述第一次离心分离的条件为离心转速500-5000 r/min（如3000r/min），离心时长为1-60min（如15min）；所述第二次离心分离的条件为离心转速1000-18000 r/min（如14000 r/min），离心时长为1-60min（如30min）。

在一种较佳实施方式中，所述步骤S30之后还包括：将得到的硼烯用乙醇进行转换，转换后在40-80℃温度（如60℃）条件下真空干燥1-10小时（如5小时），得到硼烯纳米片。用乙醇对步骤S30中得到的硼烯进行转换以除去硼烯中残存的极性有机溶剂，如N-甲基吡咯烷酮，然后在真空条件下对转换后的硼烯进行干燥，得到硼烯纳米片。

本发明还提供了一种硼烯，其是通过上述制备方法得到的。

下面通过具体实施例对本发明一种硼烯及其制备方法进行解释说明：

实施例1：

按1：1的摩尔比分别称量一定质量的MgB₂与碘单质，加入到装有200 ml 乙腈的塑料瓶中，然后在密封条件下以100 r/min 的转速搅拌处理1天；搅拌结束后，将瓶中产物进行抽滤处理，将抽滤后的粉末用乙腈反复进行润洗，超声分散处理，抽滤五次，除去副产物；清洗后的粉末40℃真空干燥1个小时；将粉末加入到250ml的NMP溶剂中，恒温水浴超声机进行液相剥离处理：功率为500 W、水浴温度5℃、超声处理1个小时；将超声处理后所得到的分散液进行离心处理：3000 r/min的转速离心处理1分钟后，取上层清液；然后以14000 r/min的转速离心处理20分钟，取底部沉淀物。用乙醇转换沉淀物中残余的NMP溶剂，40℃真空干燥1小时，得到硼烯纳米片。硼烯纳米片形貌参见图3。

实施例2：

按1：5的摩尔比分别称量一定质量的TiB₂与溴单质，加入到装有200 ml 乙腈的瓶中，然后在密封条件下以300 r/min 的转速搅拌处理35天；搅拌结束后，将瓶中产物进行抽滤处理，将抽滤后的粉末用乙腈反复进行润洗，超声分散处理，抽滤等五次，除去副产物；清洗后的粉末60 ℃真空干燥4个小时；将粉末加入到250ml的DMF溶剂中，恒温水浴超声机进行液相剥离处理：功率为600 W、水浴温度10℃、超声处理5个小时；将超声处理后所得到的分散液进行离心处理：3000 r/min的转速离心处理15分钟后，取上层清液；然后以15000 r/min的转速离心处理20分钟，取底部沉淀物。用乙醇转换沉淀物中残余的DMF溶剂，60℃真空干燥4小时，得到硼烯纳米片。硼烯纳米片形貌参见图4。

实施例3：

按1：1.5的摩尔比分别称量一定质量的AlB₂与HNO₃，加入到装有300 ml 去离子水的瓶中，然后在密封条件下以350 r/min 的转速搅拌处理40天；搅拌结束后，将瓶中产物进行抽滤处理，将抽滤后的粉末用乙醇反复进行润洗，超声分散处理，抽滤等五次，除去副产物；清洗后的粉末80℃真空干燥10个小时；将粉末加入到250 ml的DMSO溶剂中，恒温水浴超声机进行液相剥离处理：功率为500 W、水浴温度25℃、超声处理15个小时；将超声处理后所得到的分散液进行离心处理：3000 r/min的转速离心处理60分钟后，取上层清液；然后以18000r/min的转速离心处理60分钟，取底部沉淀物。用乙醇转换沉淀物中残余的DMSO溶剂，80℃真空干燥10小时，得到硼烯纳米片。硼烯纳米片形貌参见图5。

实施例4：

按1：10的摩尔比分别称量一定质量的CaB₆与H₂O₂，加入到装有300 ml 乙醇的瓶中，然后在密封条件下以800 r/min 的转速搅拌处理25天；搅拌结束后，将瓶中产物进行抽滤处理，将抽滤后的粉末用乙醇反复进行润洗，超声分散处理，抽滤等五次，除去副产物；清洗后的粉末60 ^oC真空干燥4个小时；将粉末加入到250ml的水中，恒温水浴超声机进行液相剥离处理：功率为600 W、水浴温度10℃、超声处理5个小时；将超声处理后所得到的分散液进行离心处理：3000 r/min的转速离心处理15分钟后，取上层清液；然后以15000 r/min的转速离心处理20分钟，取底部沉淀物。60℃真空干燥4小时，得到硼烯纳米片。硼烯纳米片形貌参见图6。

综上所述，本发明提供本发明提供了一种硼烯及其制备方法。本发明通过将硼源与氧化剂加入到极性有机溶剂中，在密封条件下，经长时间搅拌处理，得到反应产物，对所得到的反应产物进行抽滤，得到硼纳米片粉末，再将硼纳米粉末溶解在极性有机溶剂中，经超声波液相剥离处理，得到分散液，再经离心处理得到硼烯，与现有技术相比，具有化学过程简单，生产成本较低，事宜大规模制备硼烯的优点。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种硼烯的制备方法，其特征在于，包括步骤：

将所述分散液进行离心分离，保留底部沉淀物，得到硼烯。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硼源为二硼化钛、二硼化铝、二硼化镁、六硼化硅和六硼化钙中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化剂为硝酸、溴、碘、高锰酸钾和过氧化氢中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙腈、乙醇、水、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚枫中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按所述硼源与所述氧化剂的摩尔质量比为1:1-10的比例，将硼源、氧化剂与有机溶剂混合，反应后得到硼纳米片粉末。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤将硼源、氧化剂与有机溶剂混合，反应后得到硼纳米片粉末，具体包括：

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在恒温条件下，用超声波进行液相剥离处理，其中，恒温温度为5-25℃，超声时间为1-15小时。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤将所述分散液进行离心分离，保留底部沉淀物，得到硼烯，具体包括：

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤将所述分散液进行离心分离，保留底部沉淀物，得到硼烯之后还包括：

将得到的硼烯用乙醇进行转换，转换后在40-80℃温度条件下真空干燥1-10小时，得到硼烯纳米片。

10.一种硼烯，其特征在于，采用上述权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。