一种可按需制备用于热管理的氮化硼纳米片

背景介绍

由六方氮化硼(h-BN)制备的氮化硼纳米片(BNNSs)由于其优异的性能，包括大的径厚比(高达1500)，超高的导热系数(高达751 W/mK)，高温稳定性，以及令人印象深刻的性能而引起了人们的极大兴趣力学性能。此外，它们还具有优异的电绝缘性，由于这些有利的特性，基于BNNs的纳米复合材料在热管理应用中显示出相当大的前景。

在BNNSs的生产方面已经付出了相当大的努力，特别是在实现大规模和高效的合成方法方面。其中一种方法是超声辅助液相剥离，这是获得无缺陷高质量BNNSs的一种简单可行的方法。然而，这种技术通常存在产率低(<20%)和横向尺寸可控性有限的问题，其效率严重依赖于h-BN块体的性质。相比之下，球磨法的成品率较高(>80%)；然而，它需要添加大量的化学添加剂，如尿素、糖或氢氧化钠，导致不可避免的BNNSs功能化。此外，长时间的高能撞击导致BNNSs具有较小的横向尺寸(只有几百纳米)或缺陷。

微流化方法已被证明对石墨烯和BNNSs等二维材料的剥离是有效的，因为它利用了高速流体流动产生的剪切效应。与其他机械剥离方法相比，这种各向异性方法的一个优点是它能够均匀地施加高强度剪切力作用于整个流体体积，使大型BNNSs能够成功剥离。尽管具有这一优势，但由于效率和横向尺寸之间的权衡，利用微流化方法从大块h-BN中高效和按需制备BNNSs仍然是一个挑战。

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成果掠影

近日，上海交通大学黄兴溢团队开发了一种OdP方法来实现高效、大规模、尺寸可控的BNNSs制备。本文提出了一种高压均质与短时间超声相结合的按需制备（OdP）方法;它使六方氮化硼(h-BN)高效可控地制备BNNSs成为可能。调整均匀化压力和循环次数，BNNSs的生产效率和产率分别达到0.95 g/gh和82.8%，显著高于现有方法。OdP方法的通用性在不同生产商的不同体积尺寸的氢氮化硼原料上得到了证明。此外，该方法允许根据最终要求制备具有特定尺寸的BNNSs。模拟和实验结果表明，大尺寸的BNNSs特别适合于提高介电聚合物纳米复合材料的导热性和电绝缘性能。有趣的是，通过OdP方法制备的小的bnns填充光子纳米复合膜具有优越的日间辐射冷却性能。此外，OdP方法还具有低能耗、减少温室气体排放和化石能源使用的优点。这些发现强调了OdP方法在高效可控制备大型BNNSs方面的独特优势。研究成果以“On-Demand Preparation of Boron Nitride Nanosheets for Functional Nanocomposites”为题发表在《Small Methods》。

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图文导读

图2.利用OdP得到了a)在40次循环下不同均质压力下，b)在180 MPa下不同循环次数下，c)在75 MPa下不同循环次数下，BNNSs的产率和横向尺寸。d、e) 180 MPa/20次循环和g、h) 75 MPa/15次循环下，脱落的BNNSs的SEM图像及其横向尺寸分布直方图。f) OdP方法与其他已报道的剥离方法的生产率和生产效率的比较。i)与其他已报道的剥落方法相比，OdP方法的BNNSs横向大小和生产效率。

图3.  a) BN003(原始h-BN)和b,c) BN003在不同均质条件下剥离的BNNSs的SEM图像。d) BN012(原始h-BN)和e,f) BN012在不同均质条件下剥离的BNNSs的SEM图像。g)产率和h)不同均质条件下BN003、BN012和BN-HSL剥离的BNNSs的横向大小。

图4. 透射电子显微镜(TEM)图像a)、原子力显微镜(AFM)图像b)和BNNS-S的厚度分布直方图c)。BNNS-L的TEM图像d)、AFM图像e)和厚度分布直方图f)。块体h-BN、EBN和BNNSs的傅里叶变换红外光谱g)和x射线衍射图。(h) BNNSs的x射线光电子能谱。

图5.模拟了不同横向尺寸的BNNSs纳米复合纸的a)温度和b)热流密度分布。BNNSs沿一个方向排列。c) BNNS-L-50纸张的光学照片和d)折叠纸张制成的“帆船”。e,f) BNNS-L-50论文截面的SEM图像。g) BNNS-S/PBO纸与BNNS-L/PBO纸的面内导热系数比较。h) BNNS-L-50纸及其他氮化硼基复合材料的极限强度和面内导热系数。i) BNNS-L-50和BNNS-S-50在不同温度下的击穿强度。

图6.a) BNNS-S和BNNS-L纳米复合膜的太阳光谱反射率(左)和中红外光谱发射率(右)。b)测试装置的原理图(上)和光学照片(下)，用于演示两种纳米复合薄膜的日间辐射冷却能力。c) BNNS-S和BNNS-L纳米复合膜在一天内的温度。d)白天BNNS-S纳米复合膜相对于BNNS-L纳米复合膜的温度变化。