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极具应用前景的材料——多孔氮化硼
2019年08月15日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:209
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自从氮化硼成为材料界的新星后,对其应用的拓展研究逐渐得到了人们的重视。在这个过程中,科学家发现,相对于普通块状的氮化硼来说,多孔氮化硼由于具有较高的比表面积,因此应用范围更广泛,在吸附剂、催化剂载体、储氢材料等领域上都具有很好的应用效果,成为了近年来的研究热点。

六方氮化硼的晶体结构

虽然氮化硼有三种晶体结构,①类石墨的六方氮化硼(h-BN);②密排六方氮化硼(w-BN);③类似于金刚石的立方氮化硼(c-BN),但其中应用最广、同时?#37096;?#20197;做成多孔材料的就是六方氮化硼。作为一种摩氏硬度为2的软性材料,h-BN能表现出较强的机械性能、热学性能及化学稳定性,因此具有很高的可塑性。

一、多孔氮化硼?#24515;?#20123;应用前景?

多孔陶瓷本身便具有相对密度低、比表面积大、重量轻等优点,具体可表现为较高的强度、刚度、冲击韧性,良好的阻波性能、光电性能、吸附性能等。而当“多孔”遇上h-BN时,强强联合下h-BN的应用得到了进一步的拓展,具体如下:

1.催化剂载体

由于多孔氮化硼具有高比表面积、化学惰性、耐高温等优良特点,因为研?#31354;?#20204;开始利用这些优?#24179;?#20854;制备为催化剂载体。如中国科学院杨晓龙等人利用MgO/h-BN复合载体负载的Ru基氨合成催化剂对氨合成反应进行催化,由于MgO/h-BN载体上存在较多的碱性位,所以表现出优秀的催化活性;G.Postole等人利用两种不同比表面积的氮化硼作为负载剂,钯作为催化剂对丙烯氧化反应进行催化。结果发现氮化硼中含有氧元素?#22791;?#36733;的氧化钯催化剂比纯氮化硼的催化效果更好。

银纳米颗粒与氮化硼的混合结构,用于催化转化CO

2.吸附剂

高比表面积的氮化硼不仅可以用来做催化剂载体,做吸附剂也同样很给力。目前应用最多的吸附剂是活性炭(500m2/g-1200m2/g),由于其来源广泛、比表面积大、吸附容量大,所以经常被用于水处理、空气过滤等方面。

影响材料吸附能力的关键在于它的比表面积大小,目前已有学者对高比表面积氮化硼展开吸附试验,如蔡等人研究了高比表面积氮化硼对水中氯苯的吸附规律,通过?#34081;?#21560;附法研究发现氮化硼?#26376;?#33519;的吸附过程符合一级动力学模型和Freundlich等温吸附模型,氮化硼对于氯苯的吸附饱和量可达到672.8mg/g,去除率高达79%。相比于活性炭?#26376;?#33519;的去除率只有61.73%,氮化硼表现出较好的吸附效果。

多孔氮化硼可用于吸附油污

3.储氢材料

由于氮化硼材料类似于石墨结构,所以氮化硼可以形成纳米管,并且通过实验研究发现氮化硼纳米管?#34892;?#22810;性质要优于碳纳米管,如程等人通过研究采用巨正则蒙特卡罗方法,?#20302;?#22320;研究了常温和中等压强下锂掺杂SWBNNTA的物理吸附储氢特性,揭示了在现有条件下Li-doped SWBNNTA的储氢量能够达到和超过美国能源部提出的2015研究目标。Weng等人用三聚氰胺和硼酸作为前躯体制备了多孔氮化硼纳?#29366;?#27604;表面积高达1488m2/g,储氢性能十分卓越。

氮化硼纳?#29366;?#24471;形貌和氢气吸附-脱附曲线

二、多孔氮化硼该如何制备?

目前国内外关于氮化硼的制备方法种类繁多,主要?#24515;?#26495;法、溶剂热合成法、气相沉积法、高温热解法等。

1.水(溶剂)热法

水(溶剂)热合成法是将水溶液(或有机溶剂)作为反应载体,然后在高温高压下使反应物重新结晶,由于水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同,因而可以创造出其他方法无法制备的新化合物。但这个方法的缺点在于:反应条件的控制比较困难,难以生成目标孔结构;产率低,不利于工业生产;大多数反应原料化学性质不稳定等。

2.化学气相沉积法

化学气象沉积法又称催化裂解法。该方法原理就是应用气态物质在固体上发生化学反应并产生固态沉淀物,一般分为三步,①在反应器内生成挥发性物质;②将已挥发的物?#39318;?#31227;至要?#20004;?#30340;区域;③挥发性物质在固体上发生化学反应并产生固态沉淀。

化学气相沉积法制备氮化硼的优点在于制备原理简单、原料成本较低。缺点在于过程可控性差、不适合工业生产。

3.模板法

模板法是以模板为主体构型去控制、影响和修饰材料的形貌、控制尺寸进而决定材料性质,根据所用模板性质不同,该方法分为以?#24067;?#38190;维持其特定结构的?#26448;?#26495;和以分子内的弱相互作用维持其结构的软模板两大类。采用?#26448;?#26495;可以将模板的孔结构复制到氮化硼中,得到高比表面的多孔氮化硼材料,但此法虽然可以?#34892;?#25511;制孔的大小,但是过程繁琐;但软模板法并不适合制备多孔氮化硼,因为它不仅制备周期更长,而且所用的模板试剂价格也更贵。

4.有机先驱体法

采用有机先驱体法制备高比表面多孔氮化硼时,主要采用的有机先驱体有以下三种:氨基硼烷及其聚合物、三氯硼吖嗪及其聚合物、硼吖嗪及其聚合物。Xiao等人采用硼酸和三聚氰胺分别作为硼源和氮源制备出C3H6N6·2H3BO3作为前躯体,然后通过高温热分解前躯体的方法制备多孔氮化硼材料。

资料来源:

多孔氮化硼的制备、活化及其重金属高温吸附特性研究,翟振宇。

多孔氮化硼纳米片的制备及其在气体吸附领域的应用,谢飞。

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