多孔氮化硼材料及其應用(BN)

  氮化硼(BN)是一種與碳材料原子結(jié)構(gòu)類似的材料，其中硼原子(B)和氮原子(N)取代了碳原子的位置，相比碳材料，氮化硼有很好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性以及較強的機械性能。氮化硼常見的結(jié)構(gòu)有立方氮化硼(c-BN)、六方氮化硼(h-BN)、菱形氮化硼(r-BN)、錯層氮化硼(t-BN)以及無定型氮化硼(a-BN)等，其中 c-BN和 h-BN為穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。

  多孔氮化硼是一種六方氮化硼，與石墨類似，具有層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，具有發(fā)達的內(nèi)部顆粒孔隙、高的比表面積和表面反應活性的多孔結(jié)構(gòu)材料，可以作為一種吸附劑**地移除水中的染料、污油、金屬離子和抗生素等各種污染物。其**的吸附性能歸結(jié)于多孔氮化硼具有的以下幾個**特點:1)多孔氮化硼具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和高的比表面積(大于1000 m2/g);2)相比于傳統(tǒng)吸附劑,多孔BN具有**的抗氧化性、熱穩(wěn)定性和抗酸堿腐蝕性，這使其在較高溫度或極端條件下使用后的再生過程相對經(jīng)濟容易和安全;3)多孔氮化硼具有超疏水特性，減少了水分子的競爭吸附，有利于其在水中對污染物的吸附多孔氮化硼B-N鍵具有C-C所不具備的局域極性，而極性位能**改進吸附劑對吸附質(zhì)的吸附性能，因此相比活性炭具有更加優(yōu)越的極性分子吸附能力;5)氮化硼帶有電負性，使其比活性炭具有更加優(yōu)越的金屬離子吸附特性。

  多孔氮化硼根據(jù)孔徑大小分為微孔、介孔和大孔，在儲氫方面同樣有很大的應用潛力，理論計算和實驗都表明多孔 BN對于有較強的吸附性能，原因是B-N極性鍵與氫氣(H)或部分H化學鍵之間有比較大的結(jié)合能力，而且多孔BN吸附H是物理吸附機制，物理吸附相對于化學吸附和化學反應有很多優(yōu)勢，比如快速的吸附和脫吸附機制、良好的可逆性以及較好的循環(huán)能力。通過理論計算表明，純h-BN吸附氫量為2.6 wt%，但是多孔BN吸附氫量為5.1 wt%，Li元素摻雜的多孔BN吸附氫量能達到7.5 wt%，平均吸附能為160 meV。

多孔氮化硼在污染處理中的應用

  采用三聚氰胺和硼酸為原料，通過高溫熱裂解得到一種微納結(jié)構(gòu)纖維，其擁有比常規(guī)BN更加豐富的表面活性、高的比表面積(1687 m2/g)和大的孔體積（包含微米孔和介孔)。通過進一步研究表明，通過添加聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物(P123)能進一步提高其活性，使其比表面積達到2078m2/g，孔體積為1.66 cm3/g。實驗發(fā)現(xiàn)這兩種多孔氮化硼相比于活性炭對水中有機染料和金屬離子具有相當優(yōu)秀的吸附作用，尤其后者對甲基橙的吸附量達到396 mg/g，對三價Cr離子的吸附量達到352 mg/g，重復使用多次后仍然保持較高的吸附能力，對比情況如圖2所示。

  利用冷凍干燥法合成了多孔氮化硼前驅(qū)體，在氮氣氣氛下1100℃高溫裂解得到了一種納米級、形貌均一、高長徑比以及高比表面積的**多孔氮化硼纖維，形貌如圖3所示，同時還研究了其對剛果紅、亞甲基藍以及羅丹明B染料的吸附性能，結(jié)果顯示多孔氮化硼纖維對染料效吸附率很高，通過計算及吸附數(shù)據(jù)證明了**多孔氮化硼對染料是多分子層吸附機制。

  石油作為汽車主要能源，隨著汽車數(shù)量的不斷增加，汽車尾氣排放造成的污染越來越嚴重，而降低尾氣造成的大氣污染跟汽油中含硫量密切相關，因此，如何降低汽油中硫含量逐漸成為世界范圍內(nèi)科研工作者研究的重點，在各種去除汽油中硫物質(zhì)的方法中吸附法是一種非常**的方法。在一些研究中，利用多孔氮化硼作為吸附劑吸附油中的硫進行了一些研究，利用四氟硼酸鹽([Bmim]BF4)作為軟模板和碳源，以硼酸和尿素作為硼源和氮源，在900℃高溫條件下制備出了摻雜碳的多孔氮化硼，通過調(diào)節(jié)四氟硼酸鹽的量可以制備出不同比表面積的多孔氮化硼，結(jié)果表明，盡管這種摻碳的多孔氮化硼與不摻雜碳的氮化硼相比，比表面積有所下降，但是吸附能力反而提高了，其中前驅(qū)體中包含0.005 mol的四氟硼酸鹽制備出的摻雜碳的多孔氮化硼吸附性好,對水中油的吸附量能達到35.2 mg·S·g-1，與活性碳、Cu( I )-Y型沸石、氧化鋁以及商業(yè)氮化硼的吸附能力比較如圖3所示。

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