二维层状材料的剥离及其复合物制备与性能研究
石墨烯(G)与六方氮化硼(h-BN)具备相似的晶体结构，却有着各自独特的物理化学性能。将这两种二维材料进行插层复合，就使六方氮化硼与石墨烯具备互补的物化性质及电学，如半导体性、高温稳定性和高化学稳定性，可以作为碳材料的有效补充。
本文利用化学溶剂法成功剥离得到单层、双层及多层六方氮化硼及石墨烯材料，并将六方氮化硼与石墨烯进行层与层交替叠加插层复合，形成类石墨烯半导体材料。此硼碳氮插层混合材料具有可调的能带结构，具备了半导体材料的基本特性，显示了良好的热稳定性同时还兼具石墨烯的坚韧性。另外，为了进一步探索六方氮化硼作为基体与纳米颗粒的掺杂制备生物复合材料。通过化学还原法得到纳米尺寸极小的纳米银颗粒负载于六方氮化硼材料表面，形成了纳米银/六方氮化硼复合物，这种新型复合材料具备优异的抗菌持久性能。
(1)采用化学溶剂法剥离将氮化硼与石墨粉末进行剥离，得到各自单层、双层及多层的二维超薄层状六方氮化硼及石墨烯材料。实验中根据表面张力在剥离过程中的影响，选择适宜的有机溶剂。通过对比不同有机溶剂下对六方氮化硼及石墨烯的剥离效果，得到剥离六方氮化硼的最佳有机溶剂为：异丙醇(IPA)；剥离石墨烯材料的有机溶剂为：二甲基甲酰胺(DMF)。在这两种溶剂中剥离后的六方氮化硼和石墨烯材料为较完整的六方晶体结构，并且通过控制离心速度得到不同层数的六方氮化硼及石墨烯材料。剥离后的六方氮化硼纳米材料直径尺寸约在500～800 nm，石墨烯纳米材料约为600～900 nm。这种方法优点在于方法简单，成本低，产量高，可实现产业化。
(2)将所得层状六方氮化硼与石墨烯材料再次溶于有机溶剂DMF中，进行一定强度的超声离心后得到了六方氮化硼/石墨烯插层混合物薄膜材料。由于在有机溶剂及机械超声作用下，破坏了原有材料各原子层间的范德华力，使得层状六方氮化硼与石墨烯各层之间重新插层排列以达到稳定状态，即这种新型复合材料的结构为六方氮化硼与石墨烯层层交替叠加类似“sandwich”的结构形式存在。利用各种不同表征手段证明了这种复合材料不仅具备六方氮化硼与石墨烯各自的物理化学性质，而且还具有其独特的电学性质，通过调整二者的掺入量比例来控制六方氮化硼/石墨烯混合物的光学带隙宽度。经电阻率、磁阻率及霍尔效应测试得出：六方氮化硼/石墨烯插层混合物具有一定的电阻率及霍尔效应现象，但与单纯石墨烯相比，其值并不是特别突出，说明六方氮化硼的引入促使此插层混合物的电学性质发生很大变化。
(3)通过选用VASP软件，对六方氮化硼/石墨烯插层混合物的插层机理、带隙变化规律的理论计算。石墨烯与六方氮化硼界面“振荡”的产生而导致各自对应电子改变，最后产生偶极现象而促使带隙发生变化。根据混合激子波函数的计算得出：单纯六方氮化硼具有较大带隙表现为绝缘体性质，当掺杂不同比例的石墨烯后使六方氮化硼的激子发生转移而导致其带隙随之分裂，进而在半导体或者半金属性之间变化。
(4)将剥离后的层状六方氮化硼作为基体，借助于微波辐射条件反应制备了纳米银颗粒，并均匀沉积在六方氮化硼表面形成纳米银/六方氮化硼复合材料。所得纳米银尺寸在5～10nm左右，无团聚现象。通过对此复合材料进行抗菌及杀菌性能测试后得出：纳米银/六方氮化硼复合物具有强烈的抗菌能力，杀菌率在99％以上。由此可以看出，此复合材料可应用于生物医药及防腐蚀防污涂层等领域。
本文通过化学溶剂法得到六方氮化硼/石墨烯插层混合材料，通过不同表征手段的测试，得到此插层材料具备其独特的物化性能及电学特性，由于六方氮化硼的插入导致石墨烯的带隙被打开，呈现半导体材料的特征，有望代替硅材料应用于微电子工业领域。另外，凭借微波辐射与化学还原反应相结合的方法合成了纳米银/六方氮化硼复合材料，这种新型材料具有良好的抗菌性能，可被用于生物医药、海洋工程防污防腐蚀等领域，由于纳米银插入到六方氮化硼各层之间，改变了原有存在的原子间范德华力，使得六方氮化硼的光学带隙也随之发生改变，从这个特征上出发，有可能实现此混合物在电学领域的应用。
石墨烯;六方氮化硼;插层混合物;抗菌性能;二维层状材料;剥离方法;复合材料;化学溶剂法;纳米银/六方氮化硼
中国海洋大学
博士
海洋化学工程与技术
尹衍升
2012
中文
TB33
143
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）