二維層狀氮化硼納米材料的制備與應用研究進展

吳柄賢，韓瑞瑞，李昱霖

(沈陽師范大學 化學化工學院，遼寧 沈陽 110034)

人們日常生活的物質基礎是材料，納米材料是眾多材料中的一種，納米材料可歸分為兩種，納米超微粒子材料和納米固體材料，得益于科學技術的飛速進步，納米材料也有了很大的發展，當某些化學物質被制備成納米級別的材料時，其就同時具有了本體和納米材料的雙重特性，納米材料具備較好的外層吸附能力，鑒于氮化硼納米材料在催化和吸附方面優勢，本文主要以氮化硼納米材料的合成及應用研究等方面進行探討。

1 氮化硼簡介

氮化硼的分子式為BN，是由硼原子和氮原子所構成的晶體，化學組成為43.6%的硼和56.4%的氮，英文學名為Boron Nitride。六方氮化硼和菱方氮化硼是sp2雜化，立方氮化硼和纖鋅礦氮化硼是sp3雜化。六方氮化硼的結構與性能與石墨極為相似，且自身為白色固體，俗稱為“白石墨”。因氮化硼具有機械性能好，熱力學，化學性能穩定，有帶隙寬，耐化學腐蝕，耐高溫且等優勢，使其在催化領域被廣泛研究。近年來，以氮化硼為載體，與多種無機材料進行復合也取得了較多的研究成果。

2 氮化硼納米材料的制備

氮化硼納米材料的合成一般包含：“自下而上”和“自上而下”兩種方法，自下而上法就是通過一種化學手段制備產物的方式，自上而下法就是剝離法，結合二維層狀氮化硼納米材料自身的特性和優點，對于合成方法的選擇上，通常選用以下幾種方法：

2.1 機械剝離法

將氮化硼與尿素放置于球磨機中研磨，取出后置于有機溶劑中，超聲處理氮化硼使大切片變為小切片，分散液經過離心后處理得到二維納米片，將納米片放入數顯恒溫水浴鍋，去除尿素得到氮化硼納米材料。Chen[1]等人利用渦流裝置，將少量六方氮化硼懸浮液分散在NMP中，之后放置到玻璃管中，將玻璃管傾斜放置，在高速轉動下，產生的剪應力可以將六方氮化硼剝離成氮化硼納米材料。Zhi[2]等利用強極性的溶劑并借助超聲輔助離心處理，將氮化硼小顆粒剝離成納米級別的氮化硼材料。

2.2 固相合成法

以尿素跟硼酸為合成原料，一個提供N源，一個提供B源，融合后放進氧化鋁坩堝，將其移入箱式爐中高溫反應，在900℃高壓條件下反應6 h，形成無定型BN后取出，將產物放在完全不同的分散劑中超聲，再開始低功率離心操作，最終得到氮化硼納米材料。

2.3 化學氣相沉淀法

以BCl3-NH3-H2-N2為前驅體，在豎直放置的熱壁反應器中合成薄層氮化硼，通過對化學沉降速度的比對以及測量設備的運用，探討了碳化硅纖維外層BN表面的形貌和微觀結構。又借助于掃描電子顯微鏡(SEM)等分析儀器對材料表面形態和結構特征等開展了研究，發現以這種手段得到的多層氮化硼具備較好的晶體結構。

2.4 溶劑熱法

溶劑熱法由水熱法演變而來，對實驗條件的要求不高，兩者對于溶劑的選擇上有明顯不同，水熱法用到的主要是水，溶劑熱法中用到的多數為有機溶劑。BBr3與Li3N在苯溶劑中以一定溫度，不同反應條件下可以得到不同形貌的六方氮化硼納米材料，通過控制一定反應條件，BBr3與Li3N在苯溶劑中反應的主要產物為立方氮化硼。

2.5 其他方法

除上述方法之外，還可以采用濺射法、等離子法和弧電法等制備氮化硼納米材料。

3 氮化硼納米材料的應用

目前，氮化硼納米材料在化工，電子，生物和藥物，航空等領域被廣泛使用，例如：儲氫，有機污染物的吸附，藥物運輸，氣體純化，納米粒子的載體，超疏水薄膜等。本部分重點介紹其在催化方面的應用。

已有實驗結果表明Au在BN單層的B空位與N空位吸附是非常穩定的，調控制備六方氮化硼納米片為載體，通過“熱解鑲嵌”方法實現對Au納米粒子的穩定固載，就能夠制備出高分散的Au/BN納米催化劑。由于CO分子在VN-h-BN上的最大吸附能為3.97 eV，遠低于O2分子，因此Au在VN-h-BN的附著在O2存在的情況下是不穩定的，通過VB-h-BN和VN-h-BN的分子動力學模擬，理論計算結果表明N富足的條件下B空位要比N空位更穩定[3]。因此在單層h-BN上B空位更有利于負載金屬催化CO氧化。

光催化劑的活性測試要在避光前提下進行，再放置在有紫外線照射的地方完成光催化反應。無復合多孔氮化硼載體的TiO2吸附性較差，復合光催化劑吸附化學反應需要的時間較多，當以多孔氮化硼作為載體時能夠顯著提升催化劑的吸附性，進一步提高催化劑光催化活性。

鑒于氮化硼的優良性質，可以將不同的雜多酸負載到類石墨烯型六方氮化硼(h-BN)上，制備兼具雜多酸和h-BN雙重優勢的POM/h-BN多相催化劑，從而提高催化劑的循環穩定性，降低催化劑的用量。Zhu等[4]將鎢基離子液體負載到h-BN上制備W6-IL/h-BN催化劑，用其脫除模擬油中的DBT。W6-IL/h-BN具有較好的催化活性，30℃時加入32μL H2O2反應80 min，DBT的脫除率可達95%以上。當以空氣作氧化劑時，h-BN對DBT也有很高的脫除率。

4 結束語

綜上所述，氮化硼納米材料在催化領域已展露出極好的應用前景，與此同時也受到了學術研究界的重視。時至今日越來越多的制備與表征技術應用正在進行，與之有關的實踐研究正處于探索發展過渡階段。此外，針對實際應用中存在的問題，可控規?；苽涠S層狀氮化硼納米材料，并實現催化反應中高活性，選擇性和穩定性仍是今后的研究重點。