多孔氮化硼：極具應(yīng)用前景的材料

      自從氮化硼成為材料界的新星后，對(duì)其應(yīng)用的拓展研究逐漸得到了人們的重視。在這個(gè)過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于普通塊狀的氮化硼來說，多孔氮化硼由于具有較高的比表面積，因此應(yīng)用范圍更廣泛，在吸附劑、催化劑載體、儲(chǔ)氫材料等領(lǐng)域上都具有很好的應(yīng)用效果，成為了近年來的研究熱點(diǎn)。

      六方氮化硼的晶體結(jié)構(gòu)

      雖然氮化硼有三種晶體結(jié)構(gòu)，①類石墨的六方氮化硼（h-BN）；②密排六方氮化硼（w-BN）；③類似于金剛石的立方氮化硼（c-BN），但其中應(yīng)用最廣、同時(shí)也可以做成多孔材料的就是六方氮化硼。作為一種摩氏硬度為2的軟性材料，h-BN能表現(xiàn)出較強(qiáng)的機(jī)械性能、熱學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性，因此具有很高的可塑性。

      一、多孔氮化硼有哪些應(yīng)用前景？

      多孔陶瓷本身便具有相對(duì)密度低、比表面積大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，具體可表現(xiàn)為較高的強(qiáng)度、剛度、沖擊韌性，良好的阻波性能、光電性能、吸附性能等。而當(dāng)“多孔”遇上h-BN時(shí)，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合下h-BN的應(yīng)用得到了進(jìn)一步的拓展，具體如下：

      1.催化劑載體

      由于多孔氮化硼具有高比表面積、化學(xué)惰性、耐高溫等優(yōu)良特點(diǎn)，因?yàn)檠芯空邆冮_始利用這些優(yōu)勢(shì)將其制備為催化劑載體。如中國科學(xué)院楊曉龍等人利用MgO/h-BN復(fù)合載體負(fù)載的Ru基氨合成催化劑對(duì)氨合成反應(yīng)進(jìn)行催化，由于MgO/h-BN載體上存在較多的堿性位，所以表現(xiàn)出優(yōu)秀的催化活性；G.Postole等人利用兩種不同比表面積的氮化硼作為負(fù)載劑，鈀作為催化劑對(duì)丙烯氧化反應(yīng)進(jìn)行催化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮化硼中含有氧元素時(shí)負(fù)載的氧化鈀催化劑比純氮化硼的催化效果更好。

      銀納米顆粒與氮化硼的混合結(jié)構(gòu)，用于催化轉(zhuǎn)化CO

      2.吸附劑

      高比表面積的氮化硼不僅可以用來做催化劑載體，做吸附劑也同樣很給力。目前應(yīng)用最多的吸附劑是活性炭（500m2/g-1200m2/g），由于其來源廣泛、比表面積大、吸附容量大，所以經(jīng)常被用于水處理、空氣過濾等方面。

      影響材料吸附能力的關(guān)鍵在于它的比表面積大小，目前已有學(xué)者對(duì)高比表面積氮化硼展開吸附試驗(yàn)，如蔡等人研究了高比表面積氮化硼對(duì)水中氯苯的吸附規(guī)律，通過靜態(tài)吸附法研究發(fā)現(xiàn)氮化硼對(duì)氯苯的吸附過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Freundlich等溫吸附模型，氮化硼對(duì)于氯苯的吸附飽和量可達(dá)到672.8mg/g，去除率高達(dá)79%。相比于活性炭對(duì)氯苯的去除率只有61.73%，氮化硼表現(xiàn)出較好的吸附效果。

      多孔氮化硼可用于吸附油污

      3.儲(chǔ)氫材料

      由于氮化硼材料類似于石墨結(jié)構(gòu)，所以氮化硼可以形成納米管，并且通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)氮化硼納米管有許多性質(zhì)要優(yōu)于碳納米管，如程等人通過研究采用巨正則蒙特卡羅方法，系統(tǒng)地研究了常溫和中等壓強(qiáng)下鋰摻雜SWBNNTA的物理吸附儲(chǔ)氫特性，揭示了在現(xiàn)有條件下Li-dopedSWBNNTA的儲(chǔ)氫量能夠達(dá)到和超過美國能源部提出的2015研究目標(biāo)。Weng等人用三聚氰胺和硼酸作為前軀體制備了多孔氮化硼納米帶，比表面積高達(dá)1488m2/g，儲(chǔ)氫性能十分卓越。

      氮化硼納米帶得形貌和氫氣吸附-脫附曲線

      二、多孔氮化硼該如何制備？

      目前國內(nèi)外關(guān)于氮化硼的制備方法種類繁多，主要有模板法、溶劑熱合成法、氣相沉積法、高溫?zé)峤夥ǖ取?br />
      1.水（溶劑）熱法

       水（溶劑）熱合成法是將水溶液（或有機(jī)溶劑）作為反應(yīng)載體，然后在高溫高壓下使反應(yīng)物重新結(jié)晶，由于水熱反應(yīng)的均相成核及非均相成核機(jī)理與固相反應(yīng)的擴(kuò)散機(jī)制不同，因而可以創(chuàng)造出其他方法無法制備的新化合物。但這個(gè)方法的缺點(diǎn)在于：反應(yīng)條件的控制比較困難，難以生成目標(biāo)孔結(jié)構(gòu)；產(chǎn)率低，不利于工業(yè)生產(chǎn)；大多數(shù)反應(yīng)原料化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定等。

      2.化學(xué)氣相沉積法

      化學(xué)氣象沉積法又稱催化裂解法。該方法原理就是應(yīng)用氣態(tài)物質(zhì)在固體上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生固態(tài)沉淀物，一般分為三步，①在反應(yīng)器內(nèi)生成揮發(fā)性物質(zhì)；②將已揮發(fā)的物質(zhì)轉(zhuǎn)移至要沉降的區(qū)域；③揮發(fā)性物質(zhì)在固體上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生固態(tài)沉淀。

      化學(xué)氣相沉積法制備氮化硼的優(yōu)點(diǎn)在于制備原理簡單、原料成本較低。缺點(diǎn)在于過程可控性差、不適合工業(yè)生產(chǎn)。

      3.模板法

      模板法是以模板為主體構(gòu)型去控制、影響和修飾材料的形貌、控制尺寸進(jìn)而決定材料性質(zhì)，根據(jù)所用模板性質(zhì)不同，該方法分為以共價(jià)鍵維持其特定結(jié)構(gòu)的硬模板和以分子內(nèi)的弱相互作用維持其結(jié)構(gòu)的軟模板兩大類。采用硬模板可以將模板的孔結(jié)構(gòu)復(fù)制到氮化硼中，得到高比表面的多孔氮化硼材料，但此法雖然可以有效控制孔的大小，但是過程繁瑣；但軟模板法并不適合制備多孔氮化硼，因?yàn)樗粌H制備周期更長，而且所用的模板試劑價(jià)格也更貴。

      4.有機(jī)先驅(qū)體法

      采用有機(jī)先驅(qū)體法制備高比表面多孔氮化硼時(shí)，主要采用的有機(jī)先驅(qū)體有以下三種：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別作為硼源和氮源制備出C3H6N6·2H3BO3作為前軀體，然后通過高溫?zé)岱纸馇败|體的方法制備多孔氮化硼材料。