氮化硼基纳米材料与薄膜的催化剂辅助生长及其性能研究

摘要

氮化硼（BN）在结构上与石墨相似，具有良好的热传导性、抗氧化性和化学稳定性，在纳米光电器件、高频激光器和高导热复合材料等领域都有很好的应用前景。但是 BN材料存在导电性差的问题，通过适当的掺杂形成硼碳氮（BCN）三元化合物，便可解决这一问题。BCN材料不仅具BN材料的很多优点，还具有良好的导电性，可以在更广的范围内得到应用，其在锂离子电池、储氢、超级电容器和场电子发射和电子器件等领域都具有良好的应用前景。
　　目前 BN领域的研究仍存在很多问题，如气源具有毒性、所制备的纳米材料易于团聚、薄膜材料结晶度低、性能和应用研究需要进一步深入等。本论文针对这些问题展开研究，首先以固体B粉为B源，利用催化剂辅助热蒸发的方法，制备出来了BN纳米片球和BCN纳米片球，并研究了BN纳米片球用于污水处理的吸附性能以及BCN纳米片球作为 Pt催化剂载体的应用。其次，利用催化剂辅助生长高质量的BN薄膜，催化剂的使用大大提高了薄膜的结晶度。主要研究内容和结果如下：
　　以金属氧化物为催化剂，通过加热金属氧化物和B粉混合物，使B原子蒸发出来，再引人NH3气制备了BN纳米片球。系统地研究了催化剂、反应温度、B粉与催化剂质量配比（RB/C）等工艺参数对BN纳米片球生长的影响。研究结果表明，CoO/CoFe2O4和NiO/NiFe2O4在适当的工艺条件下都可以作为催化生长BN纳米片球的催化剂，但CoO/CoFe2O4的催化效果更好。反应温度和RB/C对BN纳米片球的生长影响很大，通过改变反应温度和RB/C值，实现了对BN纳米片球的尺寸和纳米片厚度的控制。研究了BN纳米球作为废水吸附剂的应用，主要考察了其对泵油、染料和重金属离子的吸附能力。研究结果表明BN纳米片球在去除水中含有的废油、染料和重金属离子等有害物质时，表现出来了优异的吸附性能。BN纳米片球对油的吸附量达到了自身重量的7.8倍；对孔雀石绿（MG）和亚甲基蓝（MB）的最大吸附量分别为324和233 mg/g；对Cu2+、Pb2+和Cd2+的最大吸附量分别为678.7、536.7和107.0 mg/g。这一结果表明，BN纳米片球在废水处理领域将有很好的应用前景。
　　通过加热催化剂和B粉的混合物，再通入CH4和NH3制备出来了BCN纳米片球。研究了CH4流量、反应温度和RB/C等工艺参数对 BCN纳米片球生长的影响。研究结果表明，CH4流量和反应温度对BCN纳米片球的结构具有重要影响，在CH4流量为10 sccm，1300℃下生长出来了BCN纳米片球。通过改变RB/C的比值，实现了BCN纳米片球尺寸的控制，BCN纳米片球的尺寸控制在0.45-4μm之间。由于BCN纳米片球具有开放性的结构、不易团聚和良好的导电性的特点，因此研究了其作为催化剂载体的应用。采用乙二醇还原法，成功的将 Pt纳米颗粒均匀地分散于BCN纳米片表面，并且所制备出来的电催化剂在碱性溶液中表现出了良好的催化氧还原（ORR）活性和稳定性。
　　以Mo为催化剂，通过化学气相沉积（CVD）和后期退火处理的方法，制备出来了高质量的BN薄膜。系统地研究了BF3流量、H2流量、微波功率、工作气压等实验参数对BN薄膜生长的影响。对制备的BN薄膜进行了后期退火处理，研究了后期退火工艺对BN薄膜形貌和结晶性的影响。研究结果表明，Mo的存在可以明显改善 BN薄膜的质量，后期退火处理过的BN薄膜的结晶度大幅度提高了，BN薄膜的拉曼（Raman）峰的半高宽只有9.3 cm-1。根据实验结果，对BN薄膜的生长机制进行了讨论。由于B、N原子在催化剂中的溶解-析出，BN薄膜在生长过程中结晶质量得到了改善，后期退火处理更是大幅度提高了结晶度。

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第1章 绪 论

1.1 论文的背景及研究目的和意义

1.2 氮化硼的分类、结构与基本性质

1.3 氮化硼纳米材料和薄膜材料的研究现状

1.4 氮化硼纳米和薄膜材料的性质与应用

1.5 硼碳氮的分类、结构与基本性质

1.6 硼碳氮纳米材料的研究现状

1.7 硼碳氮纳米材料的性质与应用

1.8 本文的研究内容

第2章 实验方法

2.1 实验原料与设备

2.2 材料制备方法

2.3 材料表征方法

2.4 材料吸附性测试方法

2.5 材料电化学测试方法

第3章 氮化硼纳米片球的制备及其吸附性能研究

3.1 引言

3.2 氮化硼纳米片球的制备工艺

3.3 反应条件对氮化硼纳米片球结构形成的影响

3.4 优化条件下制备的氮化硼纳米片球的结构表征

3.5 固态B粉的催化热蒸发机制

3.6 氮化硼纳米片球的吸附性能

3.7 本章小结

第4章 硼碳氮纳米片球及其载铂催化剂的制备与性能研究

4.1 引言

4.2 硼碳氮纳米片球的制备工艺

4.3 反应条件对硼碳氮纳米片球结构形成的影响

4.4 优化条件下制备的硼碳氮纳米片球的结构表征

4.5 硼碳氮纳米片球载铂催化剂的制备及结构表征

4.6 硼碳氮纳米片球载铂催化剂的电催化性能

4.7 本章小结

第5章 高结晶氮化硼薄膜的催化生长

5.1 引言

5.2 氮化硼薄膜的制备工艺

5.3 反应条件对氮化硼薄膜生长的影响

5.4 退火处理对氮化硼薄膜结晶度的影响

5.5 氮化硼薄膜的催化生长机制

5.6 氮化硼薄膜的发光性质

5.7 本章小结

结论

论文创新点

研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢

个人简历