液相剥离法是一种绿色的制备氮化硼纳米片(BNNS)的方法,具有操作简单、能耗低、环境友好等优点。然而,溶剂的选择和剥离效率的提升是实现高质量BNNS大规模生产的两个关键问题。
液相剥离法的基本原理
液相剥离法通过在溶剂中利用超声或其他能量破坏氮化硼(h-BN)的层间作用力,从而获得BNNS分散液。溶剂的表面张力和溶剂分子体积是影响剥离效率的关键因素,表面张力越低、分子体积越小,溶剂分子越容易插入h-BN层间,从而提高剥离效率。
溶剂选择的重要性
溶剂的选择对BNNS的剥离效率和分散稳定性起着决定性作用。研究表明,质子型溶剂如甲磺酸(MSA)能提高BNNS的分散质量浓度,从0.03 g/L提升到0.3 g/L。此外,混合溶剂体系通过调节溶剂的表面张力和汉森溶解度参数(HSP),可以有效提高溶剂与h-BN的润湿性,从而实现更剥离。
有机溶剂
二甲基甲酰胺(DMF):DMF是一种常用的极性有机溶剂,其表面能与六方氮化硼(h-BN)接近,可有效降低剥离时所需能量。
N,N-二甲基乙酰胺(DMAc):DMAc也是一种强极性溶剂,在液相剥离氮化硼纳米片方面表现出良好的效果。它与DMF类似,能够与氮化硼纳米片产生相互作用,促进剥离过程的进行。
1,2-二氯苯:该溶剂同样具有较强的极性,能够有效地超声辅助剥离h-BN,获得稳定的分散体。在超声过程中,溶剂分子可以楔入h-BN层间,削弱层间作用力,使氮化硼纳米片得以剥离。
乙二醇:乙二醇作为一种极性溶剂,也可用于液相剥离氮化硼纳米片。其分子结构使其在剥离过程中能够与氮化硼纳米片发生相互作用,有助于提高剥离效率。
水及水溶液
纯水:水作为溶剂在超声的作用下剥离块体六方氮化硼,主要是利用了水的极性。
醇水混合液:采用乙醇-水作为溶剂液相剥离片层材料也是一种常见的方法。不过,这种方法得率相对不是很高。但通过调整乙醇和水的比例,可能会对剥离效果产生一定的影响。
水-表面活性剂体系:为了提高氮化硼纳米片在水中的分散性和稳定性,可以在水中加入表面活性剂。表面活性剂可以在氮化硼纳米片表面形成一层保护膜,防止其团聚,从而提高剥离效率。
提升剥离效率的策略
混合溶剂体系
混合溶剂能够克服单一溶剂的局限性,通过优化溶剂比例,可以提高剥离效率和分散稳定性。例如,N-甲基吡咯烷酮(NMP)和水的混合溶剂(体积比3:7)不仅提高了剥离效率,还通过形成聚合物稳定了BNNS分散液。
表面改性
对h-BN进行表面改性可以提高其与溶剂的相互作用,从而提升剥离效率。例如,通过高温预处理使h-BN边缘产生羟基,增大层间距,进而提高剥离效率。此外,添加修饰分子如聚合物、表面活性剂等也能增强溶剂与h-BN的相互作用。
助剂增强
在液相剥离过程中加入助剂,如氢气、草酸等,可以增强剥离产物在溶剂中的稳定性,进而提高剥离效率。例如,氢气辅助剥离通过在高温下与h-BN边缘羟基反应,释放热量和水分,使层间距增大,从而提高剥离效率。
超声功率优化
超声波功率对剥离效率有影响。适当提高超声功率可以缩短剥离时间,但过高的功率可能导致BNNS的过度破碎。
原料粒径控制
原料粒径对剥离后的BNNS形貌和尺寸有重要影响。小粒径的h-BN原料更倾向于获得完整性较好的纳米片层结构,而大粒径原料则更倾向于得到较小尺寸的纳米片。预先进行球磨处理可以提高制备效率并增加产量。