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氮化硼納米結構材料的應用

信息來源：本站 | 發(fā)布日期： 2023-10-26 13:56:00 | 瀏覽量：405230

摘要：

介紹氮化硼(BN)由硼和氮以有序的方式組成，表現(xiàn)出多種形態(tài)和形狀的結晶性質(氮化硼量子點(BNQDs)、氮化硼納米片(BNNSs)和氮化硼納米管(BNNTs))。簡單地說，菱形氮化硼(r-BN)、六方氮化硼(h-BN)、纖鋅礦氮化硼(w-BN)和立方氮化硼(c-BN)具有晶體性質(圖1a)，顯示了BN納米結…

介紹

氮化硼(BN)由硼和氮以有序的方式組成，表現(xiàn)出多種形態(tài)和形狀的結晶性質(氮化硼量子點(BNQDs)、氮化硼納米片(BNNSs)和氮化硼納米管(BNNTs))。簡單地說，菱形氮化硼(r-BN)、六方氮化硼(h-BN)、纖鋅礦氮化硼(w-BN)和立方氮化硼(c-BN)具有晶體性質(圖1a)，顯示了BN納米結構雜化的關鍵差異。例如，致密相r-BN和h-BN顯示sp²雜化，而低密度相c-BN和w-BN顯示sp³雜化B–N鍵。立方和六方氮化硼處于sp³和sp²雜化狀態(tài)，具有較高的穩(wěn)定性。通常，h-BN是具有石墨性質的多層二維(2D)納米材料，其中碳被交換的硼和氮元素代替。結果表明，一層中的硼和氮之間出現(xiàn)強共價鍵，而在層之間發(fā)生弱范德華相互作用。由于其層狀結構和與石墨的結構相似，h-BN特別令人感興趣，被稱為“白石墨”。h-BN的超薄結構為氣體分子的吸附提供了更大的表面積。在過去的十年里，人們廣泛地研究了h-BN的特性及其在納米電子學中的應用。鑒于石墨烯中的C–C和BN中的B–N之間的鍵長相似，硼和氮相互作用的高穩(wěn)定性可能會產(chǎn)生非六方2D-BN。

最近，h-BN在各個科學技術領域引起了極大的興趣。氮化硼納米材料可以在三種類型的納米結構中找到，即 3D（納米結構多孔材料）、2D（納米片和薄膜）、1D（納米管和納米帶）和 0D（納米點）（圖1b）。由于出色的物理化學性質，h-BN 已被探索為具有多種應用前景的材料。此外，BN呈現(xiàn)三種結構模型，即0D(單殼富勒烯)、1D(單壁納米管)和2D(單層納米片)。除此之外，氮化硼量子點(BNQDs)在各種分析應用中表現(xiàn)出顯著的應用。因此，氮化硼納米結構已經(jīng)成為一種令人興奮的納米結構材料，具有量子光學、電光、光學和物理化學性質。

圖1.BN納米結構材料的不同a形和b形。

方案1.氮化硼納米結構材料的性質、合成方法和應用。

性能

h-BN由于其機械、電學、光學、化學和物理性能、熱穩(wěn)定性、高熱導率、低密度、眾多的結構缺陷、大表面積、寬帶隙半導體性能、低介電常數(shù)、較低的介電常數(shù)、良好的絕緣性能、優(yōu)異的化學惰性、高抗熱震性和優(yōu)異的耐腐蝕性等，在科學領域引起了廣泛的關注。在這一節(jié)中，我們將討論氮化硼納米結構的機械性能、光致發(fā)光性能、熱學性能、潤滑性能和生物相容性。

01 機械性能

一般來說，BN的尺寸、形狀、數(shù)量和功能化對BN納米結構材料的機械性能有很大的影響。在大多數(shù)情況下，功能化的BN薄片比未改性的BN薄片表現(xiàn)出更好的機械性能。少數(shù)或多層BNNS由于其導熱性、熱穩(wěn)定性、帶隙和楊氏模量等令人矚目的特性，最近引起了人們對聚合物復合材料的極大興趣。

02 光學特性

h-BN沒有可見光吸收，但具有很強的光致發(fā)光(PL)性質。目前，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩個因素可以影響BNQDs的光致發(fā)光輸出:所獲得的BNQDs的尺寸和所獲得的BNQDs內的缺陷。目前，對氮化硼納米材料光學特性的研究還處于早期階段。BN納米結構的發(fā)射峰(藍色和綠色)出現(xiàn)在400-550nm范圍內。因此，BN納米材料的光致發(fā)光現(xiàn)在被限制在單一波長范圍內，而碳納米材料則顯示出一個從紫色到紅色熒光的寬發(fā)射波長范圍。在今后的研究中，應更多地關注BN納米結構材料熒光發(fā)射特性的調控。

吸附

吸附是從各種環(huán)境水中去除染料和重金屬的一種簡單、低成本、有效、無污泥、生態(tài)友好和非破壞性的方法。由于基于BN的納米結構具有較大的比表面積、高孔隙率、窄孔徑、高結構缺陷密度、B–N鍵的極性和強吸附能力，因此其在通過各種吸附機制去除各種目標分子方面受到了廣泛關注。因此，納米結構的BN是一種很好的吸附材料，可以快速大量吸附有機有害污染物。BN基吸附劑優(yōu)于或類似于所用的大多數(shù)吸附劑。BN空心球，BN晶須，BN纖維，微棒，以及納米帶已被成功地證明是去除各種污染物的潛在吸附劑。BN鍵的巨大表面積和極性是BNNSs的顯著特征，使其成為適合吸附污染物的吸附劑。

表1.氮化硼基吸附劑可去除各種污染物

04 潤滑

由于日益增長的環(huán)境問題，對“綠色”潤滑劑的需求正在擴大。因此，環(huán)保潤滑油的推廣在汽車研究領域受到了極大的關注。由于其良好的潤滑效果，油潤滑現(xiàn)在被認為是最頻繁和最常用的減摩和抗磨方法之一。然而，大多數(shù)油基潤滑劑含有礦物油，如果溢出或排放，會對土地和水資源造成不利污染。有鑒于此，非常需要開發(fā)具有良好抗磨減摩性能的環(huán)境友好型潤滑劑以供實際使用。水基潤滑劑由于其卓越的品質，如良好的耐火性和顯著的生態(tài)保護，最近在各種應用中受到歡迎。

將市售的h-BN微薄片在NH₄F溶液中球磨以獲得F-BNNSs(氟化的h-BNNSs)。在低濃度(< 1.0 mg/mL)下，F-BNNSs作為一種水分散性潤滑添加劑，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨減摩性能。它們的摩擦系數(shù)可以低至0.08，從而產(chǎn)生最小的摩擦。超級潤滑摩擦系數(shù)能低至0.01。使用h-BNNSs包裹的碳納米顆粒(CNP@h-BNNSs)納米復合材料作為潤滑劑，提供了一種改善類金剛石碳(DLC)膜在潮濕環(huán)境中摩擦學性能的簡單方法。相對濕度高達7.5-55%時，往復摩擦試驗表明，以CNP@h-BNNSs為潤滑劑的DLC膜具有優(yōu)異的抗磨減摩性能。這些研究表明，BN納米結構復合材料在各種應用中表現(xiàn)出良好的潤滑性能。另一份報告描述了在形成鋁的潤滑劑中用h-BN代替石墨。作者研究了幾個影響因素(氮化硼的尺寸、摩擦學性能和鋁的表面質量),發(fā)現(xiàn)氮化硼是一種很有前途的固體潤滑劑，有望在鋁的成形過程中取代石墨。研究表明，與純潤滑油相比，BN納米結構復合材料被成功地用作納米潤滑劑，提高了抗摩擦和磨損性能。

05 熱性質

熱管理現(xiàn)在是電子器件設計和制造的最重要的方面之一。器件內產(chǎn)生的熱量增加，特別是隨著組裝密度和系統(tǒng)集成度的增加，例如高頻印刷電路板(PCB)。最近的研究表明h-BN材料已經(jīng)顯示出高熱導率。通過與各種有機和無機材料混合，BN納米結構的熱穩(wěn)定性大大提高。

圖2.a不同復合材料在環(huán)境溫度下的面內熱導率，b不同復合材料的熱導率增強，以及c沿定向復合材料結構的熱遷移圖。

一般來說，聚合物的導熱率很低。然而，在聚合物中加入高導熱性的納米器，大大改善了聚合物的導熱性，從而提高其熱性能。它們可以用作各種導熱應用的有前途的材料。在聚合物網(wǎng)絡中加入BN納米結構大大改善了散熱性能，表明BN納米結構可作為制造電子器件的促進材料。

生物適應性

納米材料的生物相容性研究在生物醫(yī)學領域受到了極大的關注。生物相容性和低毒性是納米材料應用于生物醫(yī)學的兩個先決條件。最近，一些研究通過理論上的和化學上證明了BN納米復合材料的生物相容性，與傳統(tǒng)的重金屬量子點(ZnSe、CdTe和CdS量子點)相比，BNQDs對環(huán)境安全且無毒，BN納米結構可以用作生物醫(yī)學應用的有前途的材料。

應用

近年來，氮化硼納米材料在儲氫、各種有機、無機、生物分子和氣體分子的傳感等領域有著廣泛的應用前景。由于其高電、力學和熱性能，BN納米結構材料也用于儲能、析氫出和半導體。

儲氫

氫是地球上一種豐富的元素，因為它具有能量密度高、重量輕、燃燒性好、無腐蝕性、無毒、成本低、多種應用潛力、可再生能源的生態(tài)能源燃料、無毒、高度易燃和幾乎零終端排放等獨特的特性。由于其低點火能量，它被用作在大濃度范圍內與空氣氧混合的炸藥。結果，氫的儲存系統(tǒng)沉重、昂貴，并且需要高壓，這進一步要求安全風險?？紤]到這一點，已經(jīng)進行了許多研究，其中一些研究旨在改進現(xiàn)有技術以及先進材料如吸附劑。一個好的氫儲存裝置應該能夠在接近環(huán)境溫度下吸收氫。碳基納米材料被認為是最有前途的儲氫介質之一。由于其重量輕、多孔結構和大的界面面積，碳納米管(CNTs)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是用于H₂存儲的有吸引力的材料。然而，由于包括碳基材料在內的大多數(shù)材料對氫的物理吸附較差，焦點已經(jīng)轉移到主要由輕元素如B和N元素制成的非碳納米材料。此外，BN納米結構比碳基納米結構更加熱穩(wěn)定和化學穩(wěn)定。

表2.BN納米結構材料與其他納米材料儲氫性能的比較。

氣體傳感

近年來，由于環(huán)境安全和人類健康，對各種氣體和有機蒸汽的快速和靈敏感測有很大的需求。由于BN納米結構材料的優(yōu)異性能、更多的活性位點、高溫穩(wěn)定性和高表面積，一些研究人員已經(jīng)將他們的努力集中在作為氣體傳感器的BN納米結構材料的開發(fā)上。由于h-BN器件在高達900℃的溫度下是熱穩(wěn)定的，因此即使在高濕度下也不會出現(xiàn)性能下降。BN納米結構由于其獨特和迷人的性質，如優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高熱導率、高遷移率、化學惰性、抗氧化性、優(yōu)異的機械強度、高吸附容量、高表面積與體積比、低電噪聲損耗、電子結構和部分極性性質，已經(jīng)被認為是用于傳感各種氣體分子的有前途的候選材料。納米晶BN在提高傳感器對各種工作氣體的靈敏度方面大有希望。

由于其顯著的性能(減少的電子散射、突出的表面特性、最小的表面不平度和穩(wěn)定的性質), h-BN也可以用作制造高性能耐磨氣體傳感器的涂層材料。

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