BCN納米片的制備、復(fù)合及性能研究.pdf

1、新型無機非金屬材料硼碳氮(BCN)納米片，由于具有可調(diào)節(jié)的帶隙寬度和良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點，近年來引起人們的廣泛關(guān)注。本論文針對BCN納米片的制備和性能進行了系統(tǒng)研究。提出了金屬鈉(Na)插層剝離、置換法和煅燒法等幾種利用固相反應(yīng)制備BCN納米片的方法，并研究了BCN納米片在稀磁半導(dǎo)體、非線性光學(xué)、超級電容器和光催化等領(lǐng)域的應(yīng)用，分析了BCN納米片結(jié)構(gòu)對性能的影響。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1) Na插層剝離制備BCN納米片及其鐵磁性

2、性能研究
　　以金屬Na插層剝離的氮化硼納米片(BNNSs)和石墨烯為原料，將兩者隨機交疊在一起，然后高溫煅燒處理將石墨烯中的C原子引入BNNSs晶格中，形成BCN納米片。采用這種方法可以高效地制備BCN材料，并通過控制石墨烯的添加量可以實現(xiàn)不同C含量的BCN材料的制備。得到的BCN納米片厚度大約3 nm，具有完整的晶格結(jié)構(gòu)。
　　BCN納米片中的C原子附近的電子態(tài)呈現(xiàn)自旋極化的現(xiàn)象，導(dǎo)致BCN納米片具有磁性。相比于抗磁性的

3、石墨烯和BNNSs，BCN納米片表現(xiàn)出明顯的鐵磁性，居里溫度可達到463 K，是一種常溫鐵磁性半導(dǎo)體材料。另外BCN納米片在磁場中可以實現(xiàn)定向排列，為下一步BCN材料的實際應(yīng)用提供了實驗基礎(chǔ)。
　　(2)置換法制備BCN納米片及其非線性光學(xué)性能研究
　　采用Na剝離方法能高效制備BCN納米片，但是實驗過程較復(fù)雜，我們采用球磨的方法代替Na剝離過程，研究了置換法制備BCN納米片的新方法。置換法制備的BCN納米片具有良好的晶格結(jié)

4、構(gòu)和極薄的片層厚度(＜3 nm)。
　　BCN納米片表現(xiàn)出非常強的非線性吸收性能。BCN納米片在較低能量密度下，表現(xiàn)出顯著的可飽和吸收特性，而在高能量密度下表現(xiàn)出反飽和吸收的特性。通過控制納米片中C含量的大小可以實現(xiàn)對BCN納米片的非線性性能調(diào)控。研究結(jié)果表明BCN納米片可以作為一種新型的非線性光學(xué)材料，具有很大的應(yīng)用前景。
　　(3)固相合成制備BCN納米片及其超電性能研究
　　采用Na剝離和置換法得到BCN納米片中

5、C含量整體較少。為了進一步提高BCN納米片中的碳含量，我們提出直接煅燒C源、B源和N源的固相合成方法制備BCN納米片。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用這種方法可以制備得到C含量高達60 at％以上的多孔BCN納米片。多孔BCN納米片的厚度大約在1.7 nm左右，具有較好的晶格結(jié)構(gòu)。
　　多孔BCN納米片具有良好的導(dǎo)電性能和較大的比表面積。因此這種多孔BCN納米片可以利用其優(yōu)秀的電學(xué)性能應(yīng)用在超級電容器領(lǐng)域。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BCN納米片作為工作電極，

6、具有良好的電容性能。在0.1A/g的電流密度下BCN納米片的容量為407 F/g，說明BCN納米片作為工作電極具有非常高的容量。研究結(jié)果表明BCN納米片作為一種新型的超電材料，具有很大的應(yīng)用前景。
　　(4) BCN納米片、0D/2D CdS/BCN和0D/2D CdS/MoS2復(fù)合材料的光催化性能研究
　　C原子的引入能夠明顯的降低BCN材料的帶隙，通過XPS、莫特-肖特基曲線和紫外-可見吸收漫反射測試，不僅發(fā)現(xiàn)隨著C含量

7、的增加BCN納米片的帶隙逐漸降低，還發(fā)現(xiàn)BCN納米片的能級結(jié)構(gòu)與水的帶隙相匹配。通過BCN納米片的光催化降解染料和光催化產(chǎn)氫性能測試，發(fā)現(xiàn)BCN納米片可以作為一種新型光催化材料應(yīng)用于能源與環(huán)境領(lǐng)域。以0.5 wt％的Pt做助催化劑， BCN納米片在全光下產(chǎn)氫效率可以達到400μmol h-1 g-1。
　　BCN納米片除了自身具有一定的光催化產(chǎn)氫性質(zhì)以外，它還可以與其它傳統(tǒng)光催化劑進行復(fù)合，提高其光產(chǎn)氫性能。以0D/2D CdS/

8、BCN納米復(fù)合物為研究對象，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合物的光產(chǎn)氫效率可以達到2.39 mmol h-1g1，遠高于單純的CdS和BCN納米片的光產(chǎn)氫效率。但是發(fā)現(xiàn)，雖然CdS納米顆?？梢苑植荚贐CN納米片表面，但是兩者之間的電子傳導(dǎo)存在一定的阻礙，這不利于光催化產(chǎn)氫性能的提高。為了克服這個障礙，設(shè)計采用二維過渡金屬硫化物代替BCN納米片作為基底，制備了0D/2D CdS/MoS2納米復(fù)合物，其光產(chǎn)氫效率可以達到35.6 mmol h-1 g-1，而且該