一文了解氮化硼纳米管的制备及应用

      氮化硼纳米管（BNNTs）作为一唯纳米材料近年来备受研究人员关注。它具有稳定的绝缘性，高热稳定性、化学稳定性，以及特殊的力学和电学性能，电子结构计算表明，其能带宽度为5.5eV，氮化硼纳米管可以在纳米电子器件、纳米结构陶瓷材料、储氢材料以及防止氧化的包覆层材料等方面具有良好的应用前景。

      氮化硼纳米管与碳纳米管的区别

      碳纳米管（CNTs）自发现以来以其独特的微观结构、优异的物理、化学、力学性能，吸引了全球不同领域科研人员的目光。而氮化硼纳米管是一种结构类似于碳纳米管的一维纳米结构材料，可以看做是碳纳米管中的碳原子被硼和氮原子交替取代的产物，由单层或多层六方氮化硼（h-BN）卷曲而成，最终形成单壁或多壁氮化硼纳米管，其结构模型如图所示：

      实际制备中很难合成出单壁结构的BNNTs，主要原因是不同于CNTs的C-C共价键，BNNTs的B-N键具有一定的离子键特性，这将导致相邻BN层键发生微观交互效应，形成更加稳定的两层或多层管状结构，而CNTs中石墨层间只存在较弱的范德华力，因而更易形成单壁管状结构。氮化硼纳米管不仅具有可以与碳纳米管相媲美的力学性能和热传导性能，而且还具有优异的抗氧化性、化学稳定性和热稳定性。
氮化硼纳米管的制备方法

     （1） 电弧放电法

     通常电弧放电法是将反应物作为电极，然后通过电弧放电晶型反应获得纳米管，该方法制备的纳米管缺陷少、品质高、方法简单，缺点是电弧放电需要大电流以及需要的反应温度高，反应环境必须使用多心气体进行保护，生成物产率较低。

     （2） 热解法

      通过将物质进行加热使其分解并和其他物质进行反应的方法称为热解法。在热解过程中可以通过控制实验参数来达到控制产物的组成和形貌的目的，缺点是热解法一般需要的原料有毒且易燃，危害环境和人体，因此，热解法不能进行广泛的使用。

      （3） 化学气相沉积（CVD）法

      化学气相沉积是使用气体原料或者再高温下变成气态的原料，温度降低在基板上进行沉积反应合成产物的方法，CVD技术比较成熟，生成的氮化硼纳米管纯度高且可以通过调控反应参数来控制纳米管的结构，缺点是CVD技术对于生产条件要求苛刻，难以采用CVD法实现纳米管的工业化量产。

      （4） 模板法

      模板法包含硬模板和软模板。制备氮化硼纳米管一般将碳纳米管作为模板，通过取代反应B、N原子取代模板上的部分碳原子产生氮化硼纳米管。模板法因其操作简单，材料易得乌海被普遍的应用在合成氮化硼纳米管上，生成的纳米管的形貌主要是由反应参数和模板决定。

       （5） 机械球磨法

       通过对单质硼粉在氨气气氛、室温条件下长时间球磨获得无定型硼粉前驱体，然后在高温惰性气体气氛下进行退货，可获得氮化硼纳米管。长时间的高能球磨将机械能转移至硼粉，形成亚稳态粉末，即包括无定型态BN和B纳米晶。这些亚稳态粉末在后续退火过程由于能量较高，化学活性强，将促进纳米管的形核与生长。

       氮化硼纳米管的特性及其潜在应用

      在之前的文章中，我们提到了块体h-BN具有低密度、高热导率、显著的电绝缘性、优异的化学惰性以及较低的摩擦系数等优异性能，而BNNTs作为h-BN卷曲形成的独特管状结构，同样继承了块状体所具有的众多优异性能。

      （1） 氮化硼纳米管增强复合材料

      BNNTs具有优异的力学性能、导热性、电绝缘性、化学和热稳定性（抗氧化温度超过900℃）以及高的长径比等，因此其可用于复合材料中作为纳米增强体或填料，改善复合材料的机械性能、导热性能、抗氧化性能。例如将BNNTs填充入环氧树脂中，制成的复合材料在弹性模量和极限拉伸强度方面得到了显著的提高。此外，BNNTs还可用于增强陶瓷和金属复合材料。
      （2） 储氢材料

      氮化硼纳米管相比碳纳米管具有突出的物理和机械性能以及更高的化学稳定性，更适合储氢应用。相关研究表明，室温环境下，随着压力从0增加到10Mpa，氮化硼纳米管的储氢能力逐渐提高，多壁竹节状的氮化硼纳米管的储氢量范围是1.8-2.6wt％，可作为潜在的储氢材料。

      （3） 生物材料

      氮化硼纳米管还可和生物材料结合，在生物领域有所应用。研究发现使用聚乙烯亚胺修饰的氮化硼纳米管对于人体细胞的新陈代谢基本没有影响，使用多聚赖氨酸进行修饰的纳米管对成纤细胞有很好的相容性。此外使用有生物活性的藻类对氮化硼纳米管进行修饰，有利于侧近纳米管和蛋白质或细胞进行结合。

       目前氮化硼纳米管的相关研究仍然停留在实验室阶段，尚无工业应用，但随着对氮化硼纳米管生长机制的进一步研究以及块状BN更广泛地应用，相信氮化硼纳米管会得到更好地发展。