二维层状氮化硼纳米材料的制备与应用研究进展

吴柄贤，韩瑞瑞，李昱霖

(沈阳师范大学 化学化工学院，辽宁 沈阳 110034)

人们日常生活的物质基础是材料，纳米材料是众多材料中的一种，纳米材料可归分为两种，纳米超微粒子材料和纳米固体材料，得益于科学技术的飞速进步，纳米材料也有了很大的发展，当某些化学物质被制备成纳米级别的材料时，其就同时具有了本体和纳米材料的双重特性，纳米材料具备较好的外层吸附能力，鉴于氮化硼纳米材料在催化和吸附方面优势，本文主要以氮化硼纳米材料的合成及应用研究等方面进行探讨。

1 氮化硼简介

氮化硼的分子式为BN，是由硼原子和氮原子所构成的晶体，化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮，英文学名为Boron Nitride。六方氮化硼和菱方氮化硼是sp2杂化，立方氮化硼和纤锌矿氮化硼是sp3杂化。六方氮化硼的结构与性能与石墨极为相似，且自身为白色固体，俗称为“白石墨”。因氮化硼具有机械性能好，热力学，化学性能稳定，有带隙宽，耐化学腐蚀，耐高温且等优势，使其在催化领域被广泛研究。近年来，以氮化硼为载体，与多种无机材料进行复合也取得了较多的研究成果。

2 氮化硼纳米材料的制备

氮化硼纳米材料的合成一般包含：“自下而上”和“自上而下”两种方法，自下而上法就是通过一种化学手段制备产物的方式，自上而下法就是剥离法，结合二维层状氮化硼纳米材料自身的特性和优点，对于合成方法的选择上，通常选用以下几种方法：

2.1 机械剥离法

将氮化硼与尿素放置于球磨机中研磨，取出后置于有机溶剂中，超声处理氮化硼使大切片变为小切片，分散液经过离心后处理得到二维纳米片，将纳米片放入数显恒温水浴锅，去除尿素得到氮化硼纳米材料。Chen[1]等人利用涡流装置，将少量六方氮化硼悬浮液分散在NMP中，之后放置到玻璃管中，将玻璃管倾斜放置，在高速转动下，产生的剪应力可以将六方氮化硼剥离成氮化硼纳米材料。Zhi[2]等利用强极性的溶剂并借助超声辅助离心处理，将氮化硼小颗粒剥离成纳米级别的氮化硼材料。

2.2 固相合成法

以尿素跟硼酸为合成原料，一个提供N源，一个提供B源，融合后放进氧化铝坩埚，将其移入箱式炉中高温反应，在900℃高压条件下反应6 h，形成无定型BN后取出，将产物放在完全不同的分散剂中超声，再开始低功率离心操作，最终得到氮化硼纳米材料。

2.3 化学气相沉淀法

以BCl3-NH3-H2-N2为前驱体，在竖直放置的热壁反应器中合成薄层氮化硼，通过对化学沉降速度的比对以及测量设备的运用，探讨了碳化硅纤维外层BN表面的形貌和微观结构。又借助于扫描电子显微镜(SEM)等分析仪器对材料表面形态和结构特征等开展了研究，发现以这种手段得到的多层氮化硼具备较好的晶体结构。

2.4 溶剂热法

溶剂热法由水热法演变而来，对实验条件的要求不高，两者对于溶剂的选择上有明显不同，水热法用到的主要是水，溶剂热法中用到的多数为有机溶剂。BBr3与Li3N在苯溶剂中以一定温度，不同反应条件下可以得到不同形貌的六方氮化硼纳米材料，通过控制一定反应条件，BBr3与Li3N在苯溶剂中反应的主要产物为立方氮化硼。

2.5 其他方法

除上述方法之外，还可以采用溅射法、等离子法和弧电法等制备氮化硼纳米材料。

3 氮化硼纳米材料的应用

目前，氮化硼纳米材料在化工，电子，生物和药物，航空等领域被广泛使用，例如：储氢，有机污染物的吸附，药物运输，气体纯化，纳米粒子的载体，超疏水薄膜等。本部分重点介绍其在催化方面的应用。

已有实验结果表明Au在BN单层的B空位与N空位吸附是非常稳定的，调控制备六方氮化硼纳米片为载体，通过“热解镶嵌”方法实现对Au纳米粒子的稳定固载，就能够制备出高分散的Au/BN纳米催化剂。由于CO分子在VN-h-BN上的最大吸附能为3.97 eV，远低于O2分子，因此Au在VN-h-BN的附着在O2存在的情况下是不稳定的，通过VB-h-BN和VN-h-BN的分子动力学模拟，理论计算结果表明N富足的条件下B空位要比N空位更稳定[3]。因此在单层h-BN上B空位更有利于负载金属催化CO氧化。

光催化剂的活性测试要在避光前提下进行，再放置在有紫外线照射的地方完成光催化反应。无复合多孔氮化硼载体的TiO2吸附性较差，复合光催化剂吸附化学反应需要的时间较多，当以多孔氮化硼作为载体时能够显著提升催化剂的吸附性，进一步提高催化剂光催化活性。

鉴于氮化硼的优良性质，可以将不同的杂多酸负载到类石墨烯型六方氮化硼(h-BN)上，制备兼具杂多酸和h-BN双重优势的POM/h-BN多相催化剂，从而提高催化剂的循环稳定性，降低催化剂的用量。Zhu等[4]将钨基离子液体负载到h-BN上制备W6-IL/h-BN催化剂，用其脱除模拟油中的DBT。W6-IL/h-BN具有较好的催化活性，30℃时加入32μL H2O2反应80 min，DBT的脱除率可达95%以上。当以空气作氧化剂时，h-BN对DBT也有很高的脱除率。

4 结束语

综上所述，氮化硼纳米材料在催化领域已展露出极好的应用前景，与此同时也受到了学术研究界的重视。时至今日越来越多的制备与表征技术应用正在进行，与之有关的实践研究正处于探索发展过渡阶段。此外，针对实际应用中存在的问题，可控规模化制备二维层状氮化硼纳米材料，并实现催化反应中高活性，选择性和稳定性仍是今后的研究重点。