低维硼碳氮纳米材料的制备及其生长机理的研究

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低维三元B-C-N纳米材料如B-C-N纳米管(B-C-NNTs)和B-C-N纳米片(B-C-NNSs)具有宽带隙,良好的导热性,热稳定性和抗氧化性等优异的性能,而且通过控制三元B-C-N材料的B/C/N原子的排布和组成可制备出不同的新材料。可广泛应用于微电子产品、生物传感器和切削用具等领域。目前合成B-C-N纳米材料的方法主要有电弧放电法,化学气相沉积法,热解法等。但是使用这些方法合成的B-C-N纳米材料要么产量,要么纯度低。另外,纳米材料和微米材料形貌的有效控制对其在光电子和传感器设备等领域的应用具有重要意义,但目前经简单有效的合成路径控制生长不同形貌的纳米和微米材料仍面临挑战。本文首先以无定形硼粉、无水乙醇和氨气分别作为硼源、碳源和氮源,使用氯化铁催化剂,在氨气和无水乙醇混合气氛中于1200℃高温条件下反应3 h,制备出高产量高纯度的硼碳氮微米线,微米线的平均直径约为1μm,且表面覆盖纳米片,微米线上覆盖的纳米片的厚度低于20 nm,同时通过改变实验过程中的反应参数,研究了不同反应条件对硼碳氮产物的物相、组成和成键性质的影响。结果表明,中间活性气态硼源、催化剂液滴和反应气体流速是影响B-C-NNTs和B-C-N微米线生长和B/C/N三元素成键方式的关键条件。B-C-N微米线的直径随反应温度升高而变大,且低温不利于B-C键和C-N键的生成。催化剂用量过低会引起中间活性气态硼源和催化剂液滴的量偏低,导致微米线产量下降。反应时间过短会导致扩散-反应不完全,进而产物产量降低。而反应时间过长,则过量的无水乙醇分解产生碳单质。在乙醇气体流量较低的情况下,都能产生尺寸均匀的微米线,但其过大则产生锥形管状B-C-N产物。同时改用FeCl2作为催化剂制得大量直径约为90nm的竹节状硼碳氮纳米管。并且在实验中我们惊奇的发现通过简单的控制反应温度和乙醇气体流量,可合成出不同形貌的B-C-N微纳米结构产物,包括纳米管、微米线、锥形管和喇叭状管。这些结果为选择性制备B-C-N纳米和微米材料提供了简单有效的合成路线。综合各表征数据结果,得出硼碳氮纳米管和微米线的生长机理。指出气-液-固和固-液-固双重生长模型主导硼碳氮纳米管的生长,而硼碳氮微米线的生长机制则是由气-液-固生长模型和气-固生长模型相结合的。
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