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多孔氮化硼材料及其应用(BN)
发布时间:2021-04-02     作者:zl   分享到:

多孔氮化硼材料及其应用(BN)

  氮化硼(BN)是一种与碳材料原子结构类似的材料,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,氮化硼有很好的热稳定性和化学稳定性以及较强的机械性能。氮化硼常见的结构有立方氮化硼(c-BN)、六方氮化硼(h-BN)、菱形氮化硼(r-BN)、错层氮化硼(t-BN)以及无定型氮化硼(a-BN)等,其中 c-BNh-BN为稳定性结构。

  多孔氮化硼是一种六方氮化硼,与石墨类似,具有层状结构,结构示意图如图1所示,具有发达的内部颗粒孔隙、高的比表面积和表面反应活性的多孔结构材料,可以作为一种吸附剂有效地移除水中的染料、污油、金属离子和抗生素等各种污染物。其优异的吸附性能归结于多孔氮化硼具有的以下几个显著特点:1)多孔氮化硼具有发达的孔隙结构和高的比表面积(大于1000 m2/g);2)相比于传统吸附剂,多孔BN具有优异的抗氧化性、热稳定性和抗酸碱腐蚀性,这使其在较高温度或极端条件下使用后的再生过程相对经济容易和安全;3)多孔氮化硼具有超疏水特性,减少了水分子的竞争吸附,有利于其在水中对污染物的吸附多孔氮化硼B-N键具有C-C所不具备的局域极性,而极性位能有效改进吸附剂对吸附质的吸附性能,因此相比活性炭具有更加优越的极性分子吸附能力;5)氮化硼带有电负性,使其比活性炭具有更加优越的金属离子吸附特性。

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  多孔氮化硼根据孔径大小分为微孔、介孔和大孔,在储氢方面同样有很大的应用潜力,理论计算和实验都表明多孔 BN对于有较强的吸附性能,原因是B-N极性键与氢气(H)或部分H化学键之间有比较大的结合能力,而且多孔BN吸附H是物理吸附机制,物理吸附相对于化学吸附和化学反应有很多优势,比如快速的吸附和脱吸附机制、良好的可逆性以及较好的循环能力。通过理论计算表明,纯h-BN吸附氢量为2.6 wt%,但是多孔BN吸附氢量为5.1 wt%Li元素掺杂的多孔BN吸附氢量能达到7.5 wt%,平均吸附能为160 meV

多孔氮化硼在污染处理中的应用

  采用三聚氰胺和硼酸为原料,通过高温热裂解得到一种微纳结构纤维,其拥有比常规BN更加丰富的表面活性、高的比表面积(1687 m2/g)和大的孔体积(包含微米孔和介孔)。通过进一步研究表明,通过添加聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)能进一步提高其活性,使其比表面积达到2078m2/g,孔体积为1.66 cm3/g。实验发现这两种多孔氮化硼相比于活性炭对水中有机染料和金属离子具有相当优秀的吸附作用,尤其后者对甲基橙的吸附量达到396 mg/g,对三价Cr离子的吸附量达到352 mg/g,重复使用多次后仍然保持较高的吸附能力,对比情况如图2所示。

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  利用冷冻干燥法合成了多孔氮化硼前驱体,在氮气气氛下1100℃高温裂解得到了一种纳米级、形貌均一、高长径比以及高比表面积的超细多孔氮化硼纤维,形貌如图3所示,同时还研究了其对刚果红、亚甲基蓝以及罗丹明B染料的吸附性能,结果显示多孔氮化硼纤维对染料效吸附率很高,通过计算及吸附数据证明了超细多孔氮化硼对染料是多分子层吸附机制。

  石油作为汽车主要能源,随着汽车数量的不断增加,汽车尾气排放造成的污染越来越严重,而降低尾气造成的大气污染跟汽油中含硫量密切相关,因此,如何降低汽油中硫含量逐渐成为世界范围内科研工作者研究的重点,在各种去除汽油中硫物质的方法中吸附法是一种非常有效的方法。在一些研究中,利用多孔氮化硼作为吸附剂吸附油中的硫进行了一些研究,利用四氟硼酸盐([Bmim]BF4)作为软模板和碳源,以硼酸和尿素作为硼源和氮源,在900℃高温条件下制备出了掺杂碳的多孔氮化硼,通过调节四氟硼酸盐的量可以制备出不同比表面积的多孔氮化硼,结果表明,尽管这种掺碳的多孔氮化硼与不掺杂碳的氮化硼相比,比表面积有所下降,但是吸附能力反而提高了,其中前驱体中包含0.005 mol的四氟硼酸盐制备出的掺杂碳的多孔氮化硼吸附性好,对水中油的吸附量能达到35.2 mg·S·g-1,与活性碳、Cu( I )-Y型沸石、氧化铝以及商业氮化硼的吸附能力比较如图3所示。

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