ACS Nano：高效吸附CO2的輕質高強度三維氮化硼泡沫

【引言】

三維多孔納米材料在催化、儲能、生物、環境、機械減震、氣體儲存等領域具有極大的應用潛力和研究價值。目前已能從石墨烯、黏土、過渡金屬硫族化合物等具有層狀結構的二維材料出發，用化學氣相沉積、放電等離子體焊接、濕化學法等方法使二維材料的層片之間產生交聯，制得相應的三維多孔材料。尋找更多適用于該合成策略的材料已成為自其發展以來的重大課題。

氮化硼（BN）具有良好的高溫穩定性、電導率及機械強度，其最穩定的物相呈六方晶系，可以看作由硼原子和氮原子構成的二維原子面堆垛而成，面內的硼原子和氮原子由較強的共價鍵連接，而二維原子面之間則由范德華力相連。這一結構特征使得氮化硼的機械穩定性差，極易剝離成二維層狀材料。為了充分利用氮化硼優異的物理化學性質，并克服其機械穩定性差的缺點，需要從二維層狀氮化硼出發制備其三維網絡結構。然而，傳統方法不能有效解決這一問題。因此，尋求將二維氮化硼組裝成三維結構的簡單、高效方法就成了亟待攻克的難題。

【成果簡介】

近日，美國萊斯大學的Chandra Sekhar Tiwary研究員、Pulickel M. Ajayan教授和巴西坎皮納斯州立大學的Douglas Soares Galv?o教授（共同通訊作者）在ACS Nano上發表了一篇名為“Lightweight Hexagonal Boron Nitride Foam for CO₂ Absorption”的文章。研究人員采用冷凍干燥和表面化學修飾的方法，使聚乙烯醇(PVA)與二維氮化硼片層(h-BN)之間通過化學交聯形成h-BN/PVA三維泡沫結構。該h-BN/PVA泡沫結構具有密度小、孔隙大、形貌規整可控、比表面積高、機械穩定性高、易于規模化生產等優點。分子動力學模擬結果表明，h-BN和PVA之間強大的結合力得益于其間的羥基。在CO₂吸附和激光輻照測試中，三維h-BN/PVA泡沫均表現出優異的性能。通過含氮基團與較大比表面積的共同作用， CO₂吸附率達到了340%。此外，激光不能穿透h-BN/PVA泡沫，也不能破壞其物理結構，即三維h-BN/PVA泡沫具有優異的激光屏蔽性能。

【圖文導讀】

圖1. 三維h-BN/PVA泡沫的結構示意圖及形貌、穩定性表征

(a) 三維h-BN/PVA泡沫結構示意圖；

(b) 三維h-BN/PVA泡沫具有良好的結構穩定性；

(c) 承載石英器皿的三維h-BN/PVA泡沫呈現出良好的機械穩定性；

(d) 浸泡在水中的三維h-BN/PVA泡沫具有良好的結構穩定性；

(e) 浸泡在水中的BN發生結構崩塌；

(f,g) 三維h-BN/PVA泡沫在不同放大倍數下的SEM形貌圖。

圖2. 三維h-BN/PVA泡沫的力學響應測試

(a) 多次加載曲線表明在多次加載-卸載過程中，三維h-BN/PVA泡沫保持了較好的結構完整性，沒有出現明顯的失效；

(b) 三維h-BN/PVA泡沫的自硬化效應；

(c) 不同加載頻率下的儲能模量-溫度曲線；

(d) 不同溫度下的儲能模量-加載頻率曲線；

(e,f) 三維h-BN/PVA泡沫在不同放大倍數下的SEM形貌圖。

圖3. 三維h-BN/PVA泡沫的比表面積及CO₂吸附性能測試

(a) 三維h-BN/PVA泡沫的N₂等溫吸附曲線；

(b) 三維h-BN/PVA泡沫的CO₂等溫吸附曲線，插圖為h-BN/PVA泡沫與其他多孔材料的CO₂吸附性能比較；

(c) 分子動力學模擬三維h-BN/PVA泡沫對CO₂的吸附過程隨時間變化的快照（模擬溫度為300K，時間為100 ps），圖中記錄了CO₂吸附由暫態達到穩態的過程。

圖4. 分子動力學模擬的徑向分布函數

(a) PVA在h-BN層中的徑向分布函數；

(b) CO₂在三維h-BN/PVA泡沫中的徑向分布函數。由此可知CO₂與PVA之間有很強的結合力。

圖5. 不同激光輻照功率下（1，10，50，100%）三維h-BN/PVA泡沫的抗輻照性能

(a) 激光沒有穿透三維h-BN/PVA泡沫樣品的輻照區域；

(b) 激光輻照區域對角線長度隨激光輻照能量的變化；

(c) 激光輻照后三維h-BN/PVA泡沫的SEM形貌像。

【小結】

研究人員制備并表征了一種結構穩定的多孔輕質h-BN泡沫。由于在合成過程中引入了水溶性聚合物PVA并采用了冷凍干燥的方法，h-BN層片與PVA之間產生了強烈的范德華力，使PVA起到粘結劑的作用。這種三維h-BN/PVA泡沫具有顯著提高的機械穩定性、大的比表面積及孔容。分子動力學模擬揭示了h-BN層片與PVA之間相互作用力的來源，并模擬了O₂吸附過程。制得的三維h-BN/PVA泡沫在CO₂吸附和激光屏蔽測試中均表現出優異的性能。

文獻鏈接：Lightweight Hexagonal Boron Nitride Foam for CO₂ Absorption (ACS Nano, 2017, DOI:?10.1021/acsnano.7b03291)

本文由材料人編輯部王釗穎編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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