ACS Nano：高效吸附CO2的轻质高强度三维氮化硼泡沫

【引言】

三维多孔纳米材料在催化、储能、生物、环境、机械减震、气体储存等领域具有极大的应用潜力和研究价值。目前已能从石墨烯、黏土、过渡金属硫族化合物等具有层状结构的二维材料出发，用化学气相沉积、放电等离子体焊接、湿化学法等方法使二维材料的层片之间产生交联，制得相应的三维多孔材料。寻找更多适用于该合成策略的材料已成为自其发展以来的重大课题。

氮化硼（BN）具有良好的高温稳定性、电导率及机械强度，其最稳定的物相呈六方晶系，可以看作由硼原子和氮原子构成的二维原子面堆垛而成，面内的硼原子和氮原子由较强的共价键连接，而二维原子面之间则由范德华力相连。这一结构特征使得氮化硼的机械稳定性差，极易剥离成二维层状材料。为了充分利用氮化硼优异的物理化学性质，并克服其机械稳定性差的缺点，需要从二维层状氮化硼出发制备其三维网络结构。然而，传统方法不能有效解决这一问题。因此，寻求将二维氮化硼组装成三维结构的简单、高效方法就成了亟待攻克的难题。

【成果简介】

近日，美国莱斯大学的Chandra Sekhar Tiwary研究员、Pulickel M. Ajayan教授和巴西坎皮纳斯州立大学的Douglas Soares Galvão教授（共同通讯作者）在ACS Nano上发表了一篇名为“Lightweight Hexagonal Boron Nitride Foam for CO₂ Absorption”的文章。研究人员采用冷冻干燥和表面化学修饰的方法，使聚乙烯醇(PVA)与二维氮化硼片层(h-BN)之间通过化学交联形成h-BN/PVA三维泡沫结构。该h-BN/PVA泡沫结构具有密度小、孔隙大、形貌规整可控、比表面积高、机械稳定性高、易于规模化生产等优点。分子动力学模拟结果表明，h-BN和PVA之间强大的结合力得益于其间的羟基。在CO₂吸附和激光辐照测试中，三维h-BN/PVA泡沫均表现出优异的性能。通过含氮基团与较大比表面积的共同作用， CO₂吸附率达到了340%。此外，激光不能穿透h-BN/PVA泡沫，也不能破坏其物理结构，即三维h-BN/PVA泡沫具有优异的激光屏蔽性能。

【图文导读】

图1. 三维h-BN/PVA泡沫的结构示意图及形貌、稳定性表征

(a) 三维h-BN/PVA泡沫结构示意图；

(b) 三维h-BN/PVA泡沫具有良好的结构稳定性；

(c) 承载石英器皿的三维h-BN/PVA泡沫呈现出良好的机械稳定性；

(d) 浸泡在水中的三维h-BN/PVA泡沫具有良好的结构稳定性；

(e) 浸泡在水中的BN发生结构崩塌；

(f,g) 三维h-BN/PVA泡沫在不同放大倍数下的SEM形貌图。

图2. 三维h-BN/PVA泡沫的力学响应测试

(a) 多次加载曲线表明在多次加载-卸载过程中，三维h-BN/PVA泡沫保持了较好的结构完整性，没有出现明显的失效；

(b) 三维h-BN/PVA泡沫的自硬化效应；

(c) 不同加载频率下的储能模量-温度曲线；

(d) 不同温度下的储能模量-加载频率曲线；

(e,f) 三维h-BN/PVA泡沫在不同放大倍数下的SEM形貌图。

图3. 三维h-BN/PVA泡沫的比表面积及CO₂吸附性能测试

(a) 三维h-BN/PVA泡沫的N₂等温吸附曲线；

(b) 三维h-BN/PVA泡沫的CO₂等温吸附曲线，插图为h-BN/PVA泡沫与其他多孔材料的CO₂吸附性能比较；

(c) 分子动力学模拟三维h-BN/PVA泡沫对CO₂的吸附过程随时间变化的快照（模拟温度为300K，时间为100 ps），图中记录了CO₂吸附由暂态达到稳态的过程。

图4. 分子动力学模拟的径向分布函数

(a) PVA在h-BN层中的径向分布函数；

(b) CO₂在三维h-BN/PVA泡沫中的径向分布函数。由此可知CO₂与PVA之间有很强的结合力。

图5. 不同激光辐照功率下（1，10，50，100%）三维h-BN/PVA泡沫的抗辐照性能

(a) 激光没有穿透三维h-BN/PVA泡沫样品的辐照区域；

(b) 激光辐照区域对角线长度随激光辐照能量的变化；

(c) 激光辐照后三维h-BN/PVA泡沫的SEM形貌像。

【小结】

研究人员制备并表征了一种结构稳定的多孔轻质h-BN泡沫。由于在合成过程中引入了水溶性聚合物PVA并采用了冷冻干燥的方法，h-BN层片与PVA之间产生了强烈的范德华力，使PVA起到粘结剂的作用。这种三维h-BN/PVA泡沫具有显著提高的机械稳定性、大的比表面积及孔容。分子动力学模拟揭示了h-BN层片与PVA之间相互作用力的来源，并模拟了O₂吸附过程。制得的三维h-BN/PVA泡沫在CO₂吸附和激光屏蔽测试中均表现出优异的性能。

文献链接：Lightweight Hexagonal Boron Nitride Foam for CO₂ Absorption (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03291)

本文由材料人编辑部王钊颖编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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