美国范德堡大学Nano Lett.: CVD自下而上合成单层六方氮化硼（h-BN）！！

信息来源：本站 | 发布日期： 2025-04-14 08:41:20 | 浏览量：304842

摘要：

美国范德堡大学Piran R. Kidambi发表了题为“Scalable Bottom-Up Synthesis of Nanoporous Hexagonal Boron Nitride (h‑BN) for Large-Area Atomically Thin Ceramic Membranes”的工作于Nano Letters期刊上。本文提出了一种通过化学气相沉积（CVD）在单层六方氮化硼（h…

本文提出了一种通过化学气相沉积（CVD）在单层六方氮化硼（h-BN）中直接引入亚纳米/纳米级孔隙的规模化方法，结合聚合物铸造技术制备厘米级原子级薄陶瓷膜。通过调节CVD温度（875–1025°C），控制h-BN生长动力学以形成可控孔隙，并利用扩散传输实验（如KCl、溶菌酶等分子筛分）和Ficoll筛分技术表征孔隙尺寸分布。实验表明，h-BN膜在975°C时亚纳米孔隙密度^，对KCl/溶菌酶的选择性达97，渗透性为（2.1–7.4）×10⁻⁶ m/s，展现了其在分子分离、透析等领域的潜力。

研究背景

h-BN因其原子级厚度、高热稳定性和化学惰性，是理想的高效分离膜材料，但其化学惰性导致传统自上而下蚀刻方法（如等离子体刻蚀）难以规模化引入纳米孔。现有方法（如电子束/离子辐照）仅适用于小面积，且缺乏高效表征手段（如石墨烯的拉曼光谱）。开发一种可扩展的孔隙引入方法，并建立大面积的缺陷表征技术，以推动h-BN膜的实际应用。

研究思路

自下而上孔隙引入：通过调节CVD温度（如975°C）控制h-BN生长动力学，直接形成亚纳米/纳米级孔隙，避免后处理步骤。

聚合物支撑集成：采用聚醚砜（PES）相转化法铸造多孔支撑层，制备厘米级h-BN/PES复合膜。

传输实验表征：通过分子扩散（KCl、溶菌酶等）和Ficoll筛分定量分析孔隙尺寸分布。

性能验证：测试膜的渗透性、选择性及热/化学稳定性，验证其分离效率。

实验流程细节

CVD合成h-BN：

反应器：热壁CVD系统，氨硼烷为前驱体，氢气为载体，铜箔为催化剂。

温度调控：侧室温度（70–90°C）控制前驱体输运，反应温度（875–1025°C）调控h-BN形貌与孔隙密度。

表征：SEM观察三角形h-BN畴区生长，XPS验证B:N 化学计量比（≈1），AFM确认单层厚度（0.56 nm）。

聚合物支撑膜制备：

相转化法：将PES溶液浇铸于h-BN/Cu箔，浸入水浴形成多孔支撑结构，随后蚀刻去除铜箔。

结构表征：SEM显示PES支撑层具有分级孔结构（300–500 nm表面孔，底部指状通道）。

传输实验：

压力驱动渗透：乙醇流量测试验证膜完整性（>99%阻塞）。

扩散渗透性：测量KCl（0.66 nm）、溶菌酶（3.8–4 nm）等分子的渗透率，计算归一化通量（h-BN/PES vs. 纯PES）。

Ficoll筛分：通过FITC标记的Ficoll（2–24 nm半径）渗透实验表征大孔分布。

缺陷表征：

STM/STEM：原子分辨率成像显示低温生长（975°C）h-BN缺陷密度（6.8×10¹² cm⁻²）显著高于高温（1025°C，2.4×10¹² cm⁻²）。

创新点

直接CVD孔隙调控：通过温度控制（如975°C）实现亚纳米孔隙^化（KCl渗透率82.6%），避免后处理。溶菌酶渗透率随温度降低显著增加（925°C时达25%），表明大孔密度提升。

大面积膜制备技术：PES相转化法实现厘米级h-BN膜，SEM显示无宏观撕裂。

新型缺陷表征方法：Ficoll筛分实验定量分析孔隙分布，与扩散实验结果一致（溶菌酶渗透率与2 nm半径Ficoll匹配）。

高性能分离指标：KCl/溶菌酶选择性达97，L-色氨酸/溶菌酶选择性达43，渗透率优于传统膜材料。

结论

通过CVD温度调控，实现了h-BN中孔隙的可控自下而上合成，亚纳米孔隙在975°C时密度^。结合PES支撑的规模化铸造技术，成功制备厘米级原子级薄陶瓷膜。扩散传输与Ficoll筛分证明h-BN膜在0.66–24 nm范围内具有尺寸选择性，分离性能优异。该方法为h-BN膜在苛刻环境（如强酸/碱）中的应用奠定了基础。

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