氮化硼氣凝膠的機遇與挑戰

發布時間 | 2021-08-11 09:58 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 1527

石墨石墨烯氮化硼氧化硅納米材料

導讀：氣凝膠，作為世界上最輕的固體，已入選吉尼斯世界紀錄。氣凝膠材料經過80多年的發展，已經逐漸從實驗室的研發階段步入工業化應用階段，以其自身優異的性能，在航空航天、隔熱保溫、催化等領域有...

氣凝膠，作為世界上最輕的固體，已入選吉尼斯世界紀錄。氣凝膠材料經過80多年的發展，已經逐漸從實驗室的研發階段步入工業化應用階段，以其自身優異的性能，在航空航天、隔熱保溫、催化等領域有著廣泛的應用。隨著氣凝膠生產技術與制造設備的不斷提高，生產成本逐漸降低，氣凝膠將迎來更廣闊的市場前景及應用于更多的領域。氣凝膠材料成為了21世紀不可或缺的，最具有發展前景的材料之一。

數據來源：前瞻產業研究院

氣凝膠

氣凝膠的種類	特點	應用前景
纖維素氣凝膠（細菌、納米）	以纖維素作為原材料制備而成。原料來源廣泛，可以回收重復利用。	生物降解
炭氣凝膠復合材料	炭氣凝膠是一種塊體的納米炭材料，與傳統硅氣凝膠相比，具有更好的導電性能、耐高溫性能和抗腐蝕性能，以及比表面積高、孔隙率高等特點。	軍事裝備、低溫燃料電池催化劑載體
二氧化硅氣凝膠	具有高孔隙率、低導熱性等性能的輕質固體材料，但這種氣凝膠材料柔韌性差，具有易碎的缺陷。	建筑保溫、吸附、催化
石墨烯氣凝膠	石墨烯氣凝膠兼具石墨烯的特性和氣凝膠孔隙率高、比表面積大的優點，但在高溫環境下和制備的過程中，氣凝膠體積的收縮率和結構的碎裂是一個比較難解決的問題。	傳感器、電磁屏蔽以及電極材料
氮化硼氣凝膠	高比表面積、高孔隙率、低密度等優異的性能。相比于石墨烯氣凝膠，氮化硼氣凝膠擁有更好的絕緣性、抗氧化性、熱穩定性和化學穩定性。	氣體吸附、催化、污水凈化、導熱/隔熱

表1常見氣凝膠的種類及特點

其中，相比于石墨烯氣凝膠，氮化硼氣凝膠擁有更好的絕緣性、抗氧化性、熱穩定性和化學穩定性；相較于二氧化硅氣凝膠，氮化硼氣凝膠具有更加牢固的性質。因此它在氣體吸附、催化、污水凈化、導熱/隔熱等領域極具應用前景。

一、一、氮化硼氣凝膠

氮化硼氣凝膠是一類以固體為骨架、氣體為分散介質的，具有三維多孔網絡結構的新型納米材料，展現出高比表面積、高孔隙率、低密度等優異的性能。

六方氮化硼分子結構示意圖

二、氮化硼氣凝膠的制備方法

氮化硼氣凝膠制備方法的研究也方興未艾，現主要發展成模板法、低維BN組裝法及無模板法等合成策略。BN氣凝膠的制備方法如下：

方法	制備原理	特點
硬膜板法	以多孔無機非金屬或金屬材料為模板，采用化學方法在其上生長BN，再采用化學刻蝕法去除模板后得到與模板具有相似微觀形貌的BN氣凝膠。	具有較高的穩定性和良好的空間限域作用，能嚴格地控制納米材料的大小和形貌。但結構比較單一，因此制備的納米材料的形貌通常變化也較少。
軟模板法	由表面活性劑分子聚集而成，主要包括兩親分子形成的各種有序聚合物，如囊泡、膠團、微乳液、自組裝膜、生物分子和高分子的自組織結構等。	難以控制產物的尺寸和形貌，效率較低，但軟模板法具有形態多樣、模板易去除、成本低廉等優勢。
低維BN組裝法	利用納米管、納米帶、納米片等低維BN納米材料通過分子橋接、靜電相互作用、范德華力等共價鍵或非共價鍵作用，聚集組裝成具有三維多孔結構BN氣凝膠的方法。	更適用于大規模制備；反應條件較為溫和，可以保留低維材料的原有特性，以制備具有特殊功能的BN氣凝膠。
無模板法	在不借助外界模板的情況下，通過B源和N源直接發生化學反應制備多孔氣凝膠的方法。	制備出的氮化硼凝膠，其比表面積相對較大。

表2 BN氣凝膠的制備方法

二、三、氮化硼氣凝膠的應用

氮化硼凝膠材料基于BN自身的性能優勢以及多孔氣凝膠的結構特點，使BN氣凝膠具有高比表面積、良好的抗氧化性和化學穩定性，從而在氣體吸附、催化、污水凈化、導熱/隔熱等諸多領域有更為廣泛的應用前景。

氮化硼氣凝膠的應用

（1）儲氫

氫能作為一種儲量豐富、來源廣泛、能量密度高的綠色能源，引起了人們的高度重視，而氫能的儲運則是氫能應用的關鍵。研究表面，H分子在 BN表面的結合能比在碳上的結合能高40%，因此 BN氣凝膠有望用作儲氫材料。

（2）催化

BN良好的化學穩定性和抗氧化性使其在高溫和氧化條件下表現出優于傳統催化劑載體的性能。此外，BN氣凝膠的多孔網狀結構有利于反應物的擴散，超高的比表面積可以最大程度地負載金屬活性組分，進而提高催化性能。如：甲醇燃料電池被認為是很有前途的“綠色”便攜式發電機，但它們的進一步發展很大程度上受限于目前Pt基陽極催化劑的高成本和低催化活性。因此，BN氣凝膠的研發有助于甲醇燃料電池進入發展快車道，推動工業化生產。

（3）污水凈化

氣凝膠材料獨特的網絡結構和較大的比表面，使其能夠在環境治理領域當作吸附材料使用。BN氣凝膠中微小而均勻分布的孔隙不僅賦予BN氣凝膠超高的比表面積，使吸附位點充分暴露，而且有效減小了被吸附物由氣凝膠表面進入內部的阻力，更有利于吸附過程的持續進行。此外， BN氣凝膠良好的疏水親油性保證了吸附水中有機溶劑的能力，并呈現出經濟和高效的特點。

（4）導熱與隔熱

BN與其他材料復合后，由于自身的高熱導率，可大幅度提高復合材料的導熱性能；另外，通過結構設計， BN氣凝膠因獨特的納米多孔網絡結構而具有高孔隙率、高比表面積、低密度及低熱導率等性質，也是一種理想的隔熱材料。石墨烯氣凝膠是一種很有潛力的導熱材料，但其高孔隙率、低密度和各向同性的結構阻礙了其熱導率的進一步提高。

總結

迄今為止，已經建立了各種用于BN功能化的后合成方法，然而，這些策略的范圍和效率仍然很少令人滿意。另外，如何精準控制BN氣凝膠的孔結構，包括孔徑尺寸和孔隙率，仍然是一個挑戰。除了發展合成方法，設計精確的分析技術表征BN納米結構也是至關重要的，因為B、C和N原子通常在顯微成像下顯示出接近的原子尺寸和對比度，難以直接分辨，精確的分析技術有助于測定BN表面的功能化位置，形成的鍵的幾何形狀和性質，為BN功能化研究提供有價值的信息。

BN氣凝膠的開發充滿了機遇與挑戰，未來應著力于開發更有效和更經濟的BN氣凝膠合成和功能化策略，使其滿足未來高性能生物、熱防護、電化學等裝置的應用需求，推動氣凝膠的工業生產，滿足人類的生活需求。我們相信隨著制備手段和設備的發展，BN氣凝膠將呈現出更為廣闊的應用前景。

參考文獻

1、氮化硼納米片及其凝膠材料的研究進展付欽瑞（汕頭大學）

2、氮化硼氣凝膠的制備及其應用進展柳鳳琦，馮堅等（國防科技大學）

3、國外氣凝膠材料研究進展江洪，王春曉（中國科學院武漢文獻情報中心）

作者：晴天