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氮化硼纳米结构材料的应用

信息来源:本站 | 发布日期: 2022-08-10 08:29:55 | 浏览量:467584

摘要:

氮化硼(BN)由硼和氮以有序的方式组成,表现出多种形态和形状的结晶性质(氮化硼量子点(BNQDs)、氮化硼纳米片(BNNSs)和氮化硼纳米管(BNNTs))。简单地说,菱形氮化硼(r-BN)、六方氮化硼(h-BN)、纤锌矿氮化硼(w-BN)和立方氮化硼(c-BN)具有晶体性质(图1a),显示了BN纳米结构杂…

氮化硼(BN)由硼和氮以有序的方式组成,表现出多种形态和形状的结晶性质(氮化硼量子点(BNQDs)、氮化硼纳米片(BNNSs)和氮化硼纳米管(BNNTs))。简单地说,菱形氮化硼(r-BN)、六方氮化硼(h-BN)、纤锌矿氮化硼(w-BN)和立方氮化硼(c-BN)具有晶体性质(图1a),显示了BN纳米结构杂化的关键差异。例如,致密相r-BN和h-BN显示sp2杂化,而低密度相c-BN和w-BN显示sp3杂化B–N键。立方和六方氮化硼处于sp3和sp2杂化状态,具有较高的稳定性。通常,h-BN是具有石墨性质的多层二维(2D)纳米材料,其中碳被交换的硼和氮元素代替。结果表明,一层中的硼和氮之间出现强共价键,而在层之间发生弱范德华相互作用。由于其层状结构和与石墨的结构相似,h-BN特别令人感兴趣,被称为“白石墨”。h-BN的超薄结构为气体分子的吸附提供了更大的表面积。在过去的十年里,人们广泛地研究了h-BN的特性及其在纳米电子学中的应用。鉴于石墨烯中的C–C和BN中的B–N之间的键长相似,硼和氮相互作用的高稳定性可能会产生非六方2D-BN。

最近,h-BN在各个科学技术领域引起了极大的兴趣。氮化硼纳米材料可以在三种类型的纳米结构中找到,即 3D(纳米结构多孔材料)、2D(纳米片和薄膜)、1D(纳米管和纳米带)和 0D(纳米点)(图1b)。由于出色的物理化学性质,h-BN 已被探索为具有多种应用前景的材料。此外,BN呈现三种结构模型,即0D(单壳富勒烯)、1D(单壁纳米管)和2D(单层纳米片)。除此之外,氮化硼量子点(BNQDs)在各种分析应用中表现出显著的应用。因此,氮化硼纳米结构已经成为一种令人兴奋的纳米结构材料,具有量子光学、电光、光学和物理化学性质。
h-BN由于其机械、电学、光学、化学和物理性能、热稳定性、高热导率、低密度、众多的结构缺陷、大表面积、宽带隙半导体性能、低介电常数、较低的介电常数、良好的绝缘性能、优异的化学惰性、高抗热震性和优异的耐腐蚀性等,在科学领域引起了广泛的关注。在这一节中,我们将讨论氮化硼纳米结构的机械性能、光致发光性能、热学性能、润滑性能和生物相容性。
01 机械性能
一般来说,BN的尺寸、形状、数量和功能化对BN纳米结构材料的机械性能有很大的影响。在大多数情况下,功能化的BN薄片比未改性的BN薄片表现出更好的机械性能。少数或多层BNNS由于其导热性、热稳定性、带隙和杨氏模量等令人瞩目的特性,最近引起了人们对聚合物复合材料的极大兴趣。
02 光学特性
h-BN没有可见光吸收,但具有很强的光致发光(PL)性质。目前,研究人员已经发现两个因素可以影响BNQDs的光致发光输出:所获得的BNQDs的尺寸和所获得的BNQDs内的缺陷。目前,对氮化硼纳米材料光学特性的研究还处于早期阶段。BN纳米结构的发射峰(蓝色和绿色)出现在400-550nm范围内。因此,BN纳米材料的光致发光现在被限制在单一波长范围内,而碳纳米材料则显示出一个从紫色到红色荧光的宽发射波长范围。在今后的研究中,应更多地关注BN纳米结构材料荧光发射特性的调控。
03
吸附
吸附是从各种环境水中去除染料和重金属的一种简单、低成本、有效、无污泥、生态友好和非破坏性的方法。由于基于BN的纳米结构具有较大的比表面积、高孔隙率、窄孔径、高结构缺陷密度、B–N键的极性和强吸附能力,因此其在通过各种吸附机制去除各种目标分子方面受到了广泛关注。因此,纳米结构的BN是一种很好的吸附材料,可以快速大量吸附有机有害污染物。BN基吸附剂优于或类似于所用的大多数吸附剂。BN空心球,BN晶须,BN纤维,微棒,以及纳米带已被成功地证明是去除各种污染物的潜在吸附剂。BN键的巨大表面积和极性是BNNSs的显著特征,使其成为适合吸附污染物的吸附剂。
表1.氮化硼基吸附剂可去除各种污染物
04 润滑
由于日益增长的环境问题,对“绿色”润滑剂的需求正在扩大。因此,环保润滑油的推广在汽车研究领域受到了极大的关注。由于其良好的润滑效果,油润滑现在被认为是最频繁和最常用的减摩和抗磨方法之一。然而,大多数油基润滑剂含有矿物油,如果溢出或排放,会对土地和水资源造成不利污染。有鉴于此,非常需要开发具有良好抗磨减摩性能的环境友好型润滑剂以供实际使用。水基润滑剂由于其卓越的品质,如良好的耐火性和显著的生态保护,最近在各种应用中受到欢迎。
将市售的h-BN微薄片在NH4F溶液中球磨以获得F-BNNSs(氟化的h-BNNSs)。在低浓度(< 1.0 mg/mL)下,F-BNNSs作为一种水分散性润滑添加剂,表现出优异的抗磨减摩性能。它们的摩擦系数可以低至0.08,从而产生最小的摩擦。超级润滑摩擦系数能低至0.01。使用h-BNNSs包裹的碳纳米颗粒(CNP@h-BNNSs)纳米复合材料作为润滑剂,提供了一种改善类金刚石碳(DLC)膜在潮湿环境中摩擦学性能的简单方法。相对湿度高达7.5-55%时,往复摩擦试验表明,以CNP@h-BNNSs为润滑剂的DLC膜具有优异的抗磨减摩性能。这些研究表明,BN纳米结构复合材料在各种应用中表现出良好的润滑性能。另一份报告描述了在形成铝的润滑剂中用h-BN代替石墨。作者研究了几个影响因素(氮化硼的尺寸、摩擦学性能和铝的表面质量),发现氮化硼是一种很有前途的固体润滑剂,有望在铝的成形过程中取代石墨。研究表明,与纯润滑油相比,BN纳米结构复合材料被成功地用作纳米润滑剂,提高了抗摩擦和磨损性能。
05 热性质
热管理现在是电子器件设计和制造的最重要的方面之一。器件内产生的热量增加,特别是随着组装密度和系统集成度的增加,例如高频印刷电路板(PCB)。最近的研究表明h-BN材料已经显示出高热导率。通过与各种有机和无机材料混合,BN纳米结构的热稳定性大大提高。

图2.a不同复合材料在环境温度下的面内热导率,b不同复合材料的热导率增强,以及c沿定向复合材料结构的热迁移图。

一般来说,聚合物的导热率很低。然而,在聚合物中加入高导热性的纳米器,大大改善了聚合物的导热性,从而提高其热性能。它们可以用作各种导热应用的有前途的材料。在聚合物网络中加入BN纳米结构大大改善了散热性能,表明BN纳米结构可作为制造电子器件的促进材料。

生物适应性
纳米材料的生物相容性研究在生物医学领域受到了极大的关注。生物相容性和低毒性是纳米材料应用于生物医学的两个先决条件。最近,一些研究通过理论上的和化学上证明了BN纳米复合材料的生物相容性,与传统的重金属量子点(ZnSe、CdTe和CdS量子点)相比,BNQDs对环境安全且无毒,BN纳米结构可以用作生物医学应用的有前途的材料。
近年来,氮化硼纳米材料在储氢、各种有机、无机、生物分子和气体分子的传感等领域有着广泛的应用前景。由于其高电、力学和热性能,BN纳米结构材料也用于储能、析氢出和半导体。
氢是地球上一种丰富的元素,因为它具有能量密度高、重量轻、燃烧性好、无腐蚀性、无毒、成本低、多种应用潜力、可再生能源的生态能源燃料、无毒、高度易燃和几乎零终端排放等独特的特性。由于其低点火能量,它被用作在大浓度范围内与空气氧混合的炸药。结果,氢的储存系统沉重、昂贵,并且需要高压,这进一步要求安全风险。考虑到这一点,已经进行了许多研究,其中一些研究旨在改进现有技术以及先进材料如吸附剂。一个好的氢储存装置应该能够在接近环境温度下吸收氢。碳基纳米材料被认为是最有前途的储氢介质之一。由于其重量轻、多孔结构和大的界面面积,碳纳米管(CNTs)已经被发现是用于H2存储的有吸引力的材料。然而,由于包括碳基材料在内的大多数材料对氢的物理吸附较差,焦点已经转移到主要由轻元素如B和N元素制成的非碳纳米材料。此外,BN纳米结构比碳基纳米结构更加热稳定和化学稳定。
表2.BN纳米结构材料与其他纳米材料储氢性能的比较。
气体传感
近年来,由于环境安全和人类健康,对各种气体和有机蒸汽的快速和灵敏感测有很大的需求。由于BN纳米结构材料的优异性能、更多的活性位点、高温稳定性和高表面积,一些研究人员已经将他们的努力集中在作为气体传感器的BN纳米结构材料的开发上。由于h-BN器件在高达900℃的温度下是热稳定的,因此即使在高湿度下也不会出现性能下降。BN纳米结构由于其独特和迷人的性质,如优异的热稳定性、高热导率、高迁移率、化学惰性、抗氧化性、优异的机械强度、高吸附容量、高表面积与体积比、低电噪声损耗、电子结构和部分极性性质,已经被认为是用于传感各种气体分子的有前途的候选材料。纳米晶BN在提高传感器对各种工作气体的灵敏度方面大有希望。
由于其显著的性能(减少的电子散射、突出的表面特性、最小的表面不平度和稳定的性质), h-BN也可以用作制造高性能耐磨气体传感器的涂层材料。

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