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      氮化硼納米結構材料的應用

      信息來源:本站 | 發布日期: 2023-10-26 13:56:00 | 瀏覽量:149974

      摘要:

      介紹氮化硼(BN)由硼和氮以有序的方式組成,表現出多種形態和形狀的結晶性質(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
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      氮化硼(BN)由硼和氮以有序的方式組成,表現出多種形態和形狀的結晶性質(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(1a),顯示了BN納米結構雜化的關鍵差異。例如,致密相r-BNh-BN顯示sp2雜化,而低密度相c-BNw-BN顯示sp3雜化B–N鍵。立方和六方氮化硼處于sp3sp2雜化狀態,具有較高的穩定性。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強共價鍵,而在層之間發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–CBN中的B–N之間的鍵長相似,硼和氮相互作用的高穩定性可能會產生非六方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)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呈現三種結構模型,即0D(單殼富勒烯)、1D(單壁納米管)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出顯著的應用。因此,氮化硼納米結構已經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。


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      圖1.BN納米結構材料的不同a形和b形。


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      方案1.氮化硼納米結構材料的性質、合成方法和應用。



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      02
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      性能
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      h-BN由于其械、電學、光學、化學和物理性能、熱穩定性、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、較低的介電常數、良好的絕緣性能、優異的化學惰性、高抗熱震性和優異的耐腐蝕性等,在科學領域引起了廣泛的關注。在這一節中,我們將討論氮化硼納米結構的機械性能、光致發光性能、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。在大多數情況下,功能化的BN薄片比未改性的BN薄片表現出更好的機械性能。少數或多層BNNS由于其導熱性、熱穩定性、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光(PL)性質。目前,研究人員已經發現兩個因素可以影響BNQDs的光致發光輸出: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納米結構的發射峰(藍色和綠色)出現在400-550nm范圍內。因此,BN納米材料的光致發光現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射特性的調控。


      03

      吸附


      吸附是從各種環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基吸附劑優于或類似于所用的大多數吸附劑。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


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      04 潤滑


      由于日益增長的環境問題,對“綠色”潤滑劑的需求正在擴大。因此,環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,非常需要開發具有良好抗磨減摩性能的環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,表現出優異的抗磨減摩性能。它們的摩擦系數可以低至0.08,從而產生最小的摩擦。超級潤滑摩擦系數能低至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),發現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


      熱管理現在是電子器件設計和制造的最重要的方面之一。器件內產生的熱量增加,特別是隨著組裝密度和系統集成度的增加,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納米結構的熱穩定性大大提高。


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      圖2.a不同復合材料在環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。


      0

      生物適應性


      納米材料的生物相容性研究在生物醫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,與傳統的重金屬量子點(ZnSe、CdTeCdS量子點)相比,BNQDs對環境安全且無毒,BN納米結構可以用作生物醫學應用的有前途的材料。


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      03
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      應用
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      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

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      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,已經進行了許多研究,其中一些研究旨在改進現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)已經被發現是用于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材料對氫的物理吸附較差,焦點已經轉移到主要由輕元素如BN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定和化學穩定。


      表2.BN納米結構材料與其他納米材料儲氫性能的比較。

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      氣體傳感

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      近年來,由于環境安全和人類健康,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納米結構材料的優異性能、更多的活性位點、高溫穩定性和高表面積,一些研究人員已經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上。由于h-BN器件在高達900℃的溫度下是熱穩定的,因此即使在高濕度下也不會出現性能下降。BN納米結構由于其獨特和迷人的性質,如優異的熱穩定性、高熱導率、高遷移率、化學惰性、抗氧化性、優異的機械強度、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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