具有超绝热性能的双负指数陶瓷气凝胶

陶瓷气凝胶具有密度低、导热系数低、耐火和耐腐蚀性能好等优点，是一种很有吸引力的隔热材料。然而，陶瓷气凝胶由于其脆性和结晶引起的粉化行为，在大的温度梯度或长时间的高温暴露下，往往会发生严重的强度退化和结构破坏。目前有不少工作报道了不同种类的陶瓷气凝胶的合成，如碳化硅气凝胶、氧化铝气凝胶和氧化物气凝胶等，但其通常会出现较明显的热膨胀现象，或由于脆性引起粉化和结构破坏。青年教师郝梦龙团队与美国加州大学洛杉矶分校等单位合作研制出了一种具有中空孔壁结构的六方氮化硼(h-BN)超隔热气凝胶。为了使材料获得空气中的高温热稳定性，选用h-BN作为基本构造单元。同时，设计了具有双曲线结构的分层多孔结构，来使材料具有负泊松比，达到优异的变形性能和断裂韧性。制备方法如下：首先，利用改良的水热还原法和非接触冷冻干燥技术制备了石墨烯气凝胶模板。然后，在石墨烯气凝胶模板上化学气相沉积h-BN纳米层后再刻蚀掉模板，得到了独特的中空孔壁结构。材料表征结果显示，此种气凝胶结构在各项指标上都获得了优异的性能：超低密度(~0.1 mg/cm³)、超弹性(>95%)，超热绝缘(~2.4 mW/mK in vacuo, ~20 mW/mK in air)，在剧烈热震(~275 °C/s)和长期高温暴露(900 °C in air, 1400 °C in vacuo)下的热稳定性，以及负泊松比和负热膨胀系数。该成果发表在Science, 2019, 363(6428): 723-727.。

简报作者: 刘畅（Leo Liu）  责任编辑：林靖，黄阳

溶胶-凝胶法制备具有高光催化活性的h-BN/TiO2纳米复合材料

二氧化钛具有光催化活性高、成本低、环境友好等优点，是一种高效的半导体光催化剂。但二氧化钛的量子效率低、电子性能差、纳米粒子团聚等内在缺陷限制了其实际应用。石墨烯、MoS₂等二维材料可以切实有效地减小纳米粒子的尺寸，防止聚集，抑制电子与空穴的复合等。六方氮化硼(h-BN)薄片与石墨烯具有相似的特征结构和晶格参数，具有更高的比表面积和更好的染料吸附能力。因此，h-BN片材有望成为提高二氧化钛光催化效率的理想材料。江苏科技大学采用溶胶-凝胶法制备了六方氮化硼(h-BN)/二氧化钛(TiO₂)纳米复合材料光催化剂。在染料(MB和RhB)降解过程中，h-BN/TiO₂纳米复合材料的光催化性能和稳定性明显优于纯TiO₂纳米材料。h-BN/TiO₂中形成的B-O-Ti键使h-BN片材与TiO₂纳米粒子之间具有较强的连接，从而提高了光催化过程中的电荷输运速率，抑制了电子与空穴的复合。光照50 min后，RhB和MB的降解率分别达到98%和92%。h-BN/TiO₂纳米复合材料对RhB和MB的降解速率分别是纯TiO₂的3.64和4.22倍。该成果发表在Applied Surface Science, 2019, 465:154-163.

简报作者: 杜钊责任编辑：房毅

双负指数陶瓷气凝胶用于超隔热

陶瓷气凝胶具有低密度、低热导系数和优异的耐火、耐腐蚀特性，因此被视为优异的隔热材料。然而，由于具有较高的脆性以及易引起结晶诱导的粉碎行为，陶瓷气凝胶在大的热梯度环境中或长时间暴露在高温下，往往会发生强度退化甚至结构坍塌。

徐翔、段镶锋等人在有限元设计模拟的基础上，实验制备了具有双层墙结构的氮化硼（BN）气凝胶。制备步骤为，首先利用氧化石墨烯（GO）组成具有拉胀结构的气凝胶模板，然后将环硼氮烷通过氩气气流引入模板进行化学气相沉积，得到具有BN-GO-BN夹层结构的复合气凝胶，最后通过高温氧化处理去除夹层中的氧化石墨烯，得到具有BN-BN双层墙结构的陶瓷气凝胶。

研究表明，这种具有双层墙结构的氮化硼气凝胶兼具负泊松比（-0.25）和负的热膨胀系数（-1.8x10^-6/℃）。其热稳定性和抗氧化性良好，在氩气氛围中1500℃以下、空气氛围中900℃以下都能保持稳定存在。同时，该气凝胶在面对275℃/s的急剧升降温时，其多孔形态不会发生明显改变，其力学强度几乎保持不变，表现出优异的耐热振性。此外，该气凝胶还表现出超低的热导率。其在真空中和空气中的热导率分别为~2.4 mW/m·K和~20 mW/m·K。研究人员表示，这种新型陶瓷气凝胶可用于设计理想的超级隔热系统并在航天器等领域得到应用。该成果发表在Science 363, 723–727 (2019)上。

简报作者: 李根 责任编辑：黄阳

BCN-Co3O4复合物的合成及电催化性能

水的电化学分裂是产生清洁和可持续能源的最有前途的方法之一.通过电催化剂分解水是涉及水氧化和还原的过程。已知氧化钌（RuO₂）或氧化铱（IrO₂）是具有低过电位和高电流密度的OER的最有效催化剂。然而，RuO₂或IrO₂基催化剂的主要问题是成本高且可用性有限。因此，目前的许多研究工作旨在合成具有低过电位和高电流密度的非贵金属催化剂。目前，Co₃O₄由于高活性和稳定性而引起广泛关注。由于Co₃O₄在碱性溶液中导电性低和稳定性差等问题导致了不少Co₃O₄复合导电性良好的材料。印度中央电化学研究所的ThiruparasakthiBalakrishnan等，通过简单的溶液燃烧技术一步制备了含有氧化钴（Co₃O₄-BCN）的结晶2D硼氮化碳纳米片，并对BCN-Co₃O₄复合物的水氧化催化活性和染料降解作了研究。研究表明Co₃O₄和BCN之间的强化学偶联和良好的相互作用可以显着改善OER期间的电子传递和反应动力学，在碱性电解质中显示出对OER的增强的催化活性以及在直接阳光照射下显示出对甲基橙和甲基蓝染料的高效降解能力。该成功发表在RSC Adv. 2016:10.1039.

简报作者: 胡永川责任编辑：张军

纳米结构的六方氮化硼(h-BN)和还原氧化石墨烯(RGO)复合物 在超级电容器中的应用

六方氮化硼（h-BN）具有4-6 eV的宽带隙，其电绝缘特性限制了它在电化学领域的应用。而石墨烯具有优异的电学性质，将石墨烯掺杂到h-BN中，可以调整h-BN的结构和带隙，所得到的h-BN和石墨烯的复合材料具有较小的带隙以及非常高的电导率，拓宽了h-BN材料在储能领域的应用。目前报道了氮化硼/石墨烯复合材料应用于原子级薄电路和微波吸收等领域，但其应用于超级电容器还未曾被报道。印度科学与工业研究理事会-中央机械工程研究所的Sanjit Saha等人，首次提出了把h-BN/还原氧化石墨烯(RGO)复合材料应用于高性能的超级电容器。他们通过简单的水热反应将h-BN插入到RGO中，制备了纳米结构的h-BN/RGO复合材料。与块体h-BN相比，复合材料显示出更高的导电性。在三电极电化学测量中，在电流密度为4 A g^-1的情况下，获得了~824 F g⁻¹高比电容。在以RGO为负极，h-BN/RGO复合电极为正极的非对称超级电容器(ASC)中，工作电压可以达到1.4 V。在电流密度为6 A g⁻¹，高能量密度为39.6 W h kg⁻¹的条件下，该材料的比电容为145.7 F g⁻¹，相当于4200 W kg⁻¹的大功率密度。该成果发表在ACS Appl.Mater. Inter. 2015, 7(2015), 14211-14222上。

简报作者: 李丹阳责任编辑：林靖

多孔硼碳氮化物纳米片的合成及其高效氧还原研究

   ORR动力学缓慢是燃料电池和金属电池的关键。贵金属Pt基催化剂由于具有优异的电催化活性而在ORR领域占据主导地位。但是Pt基催化剂由于中毒易失活，燃料交叉效应，耐久性差等因素，严重阻碍了Pt基催化剂的发展。目前，碳材料已成为Pt/C催化剂的潜在替代氧还原反应的研究对象，然而，它们大多只在碱性溶液中具有优良的催化活性，严重限制了其在聚电解质膜燃料电池(PEMFCs)中的应用。澳大利亚迪肯大学前沿材料研究所的Wang Jiemin等采用简单高效的聚合物溶胶-凝胶法制备了多孔氮化硼(BCN)纳米片，利用Nafion在玻碳电极上进行负载后,利用旋转环盘（RRDE）及电化学工作站等测试技术对多孔BCN纳米片进行了电化学性质的研究。研究表明合成多孔BCN纳米片具有高比表面积(817m2/g)，在碱性和酸性介质中均表现出显著的ORR催化性能，与工业Pt/C相比，具有很好的催化性能(BCN酸性下Eonset=0.84V vs. RHE；碱性下Eonset=0.94V vs. RHE，E1/2=0.82V vs. RHE)。重要的是，所制备的无金属催化剂在碱性和酸性环境下具有更高的耐用性和更高的甲醇耐受性。为无金属ORR催化剂在工业燃料电池中的应用提供了一种新的思路。该成果发表在ACS Energy Letters, 2017, 2(2):306-312.上。

简报作者: 郑乐凯责任编辑：张军

一锅法原位合成用于白光LEDs的具有优异热稳定性的CsPbX3@h-BN (X = Cl, Br, I)纳米片复合材料

铯卤化铅钙钛矿CsPbX₃ (CPX，X = Cl, Br, I)纳米晶具有优异的光学和光电性能，在发光二极管（LED）照明、太阳能电池、激光以及背光显示等光电子器件中具有广阔的应用前景。然而，当CPX材料暴露在潮湿、辐射和热的条件下时，材料的稳定性较差，这已成为CPX纳米晶在实际应用过程中面临的主要挑战之一。尤其，对于用于LED照明器件的CPX钙钛矿材料，其热稳定性较差的问题仍未得到解决，为了实现基于钙钛矿的LED器件的高质量照明，提高CPX钙钛矿材料的热稳定性迫在眉睫。中国地质大学材料科学与化学学院的李国岗等人，首先在尿素的辅助下球磨氮化硼（BN）得到剥离的BN纳米片（BN-E），然后将之并与溴化铅（PbBr₂）的溶液混合，并采用热注射的方法将油酸铯注入到混合溶液中，得到CsPbBr₃@BN-E复合材料。进一步研究表明，由于BN具有很高的热导率和2D层状结构，制备的CPB@BN-E具有很高的热稳定性，当被加热到120℃时，其光致发光（PL）强度仍然保持其在室温时PL强度的~80%；其也具有良好的环境储存稳定性，在大气下放置22天后，其PL几乎不发生衰减。此外，与纯的CPB相比，CPB@BN-E的PL量子产率（QY）得到提高，由6%增加到43%。利用以上方法制备的蓝、绿、红三色CPX@BN-E粉末制作的白光LED器件具有优异的暖白光发射特性，在白光LED照明中具有潜在的应用前景。该成果发表在J. Mater. Chem. C 7 (2019), 4038上。

简报作者: 何鑫  责任编辑：林靖

一种在h-BN壳层内的Ni纳米催化剂用于增强的氢氧化反应

最近的研究表明金属表面和二维（2D）材料覆盖层（例如六方氮化硼（h-BN））之间的界面可被看作纳米反应器，当诸如H2，O2和CO等小分子嵌入2D覆盖层并吸附在金属表面上时，在受限的纳米空间中许多分子在金属表面上的吸附强度会减弱。Ni作为最有效的氢氧化反应（HOR）非贵金属催化剂近年来受到了广泛的研究。但是Ni与氢过强的结合能及其易被氧化的表面导致它与当前最优的贵金属催化剂Pt相比还有很大差距。中国科学院大连化学物理研究所的Fu Qiang等人通过将Ni纳米粒子嵌入到数层h-BN中有效的防止了Ni表面的氧化，更重要的是显著减弱了Ni与H的结合强度，使其更加接近最优值。最终结果表明，Ni@h-BN纳米核-壳结构表现出了显著改善的HOR催化活性。该成果发表在Chem. Sci., 2017, 8, 5728–5734。
 

 
Ni@h-BN核壳结构的HRTEM图像（左），Ni@h-BN的HOR极化曲线（中）以及计算的Ni (111)和h-BN/Ni (111)上的H吸附自由能（右）

简报作者: 金伟阳责任编辑：张军
 

通过冰模板组装技术在聚合物复合材料中构建三维氮化硼网络以提高热导率

 随着电子科技的高速发展，电子器件的功率和集成度日益提高。在电子器件中，很大一部分功率损耗转化为热，而电子器件的耗散生热会直接导致电子设备温度的升高和热应力的增加，对电子器件的工作可靠性和使用寿命造成严重威胁，因而电子封装的热管理已经受到科学界和工业界的广泛关注。孙蓉等人通过定向冷冻技术实现导热填料的定向排列，构筑三维导热网络，并最终制备出新型结构的高导热电子封装材料。所得聚合物复合材料表现出高导热率（2.85 W/m·k），低热膨胀系数（24-32 ppm/K），以及在相对较低的BNNS填充下玻璃化转变温度增加（9.29 Vol％）。该成果发表在Small, 2015, 11(46):6205-6213.

简报作者: 付坤责任编辑：薛彦明

用于HER的稳定、低成本的无金属电催化剂硼氮化物BxCyNz

Pt或Pt族金属（PGM）由于其低过电位和较大的电流密度而已广泛用于析氢反应（HER）。然而，它们缺乏对催化剂毒物（如CO）的固有耐受性和电化学环境中的稳定性。此外，它们的高成本和有限的可用性也是缺点。显然，需要用成本较低且易于合成的催化剂代替Pt或PGM催化剂。在这种情况下，非贵金属催化剂特别是碳基材料已经成为研究的焦点。BCN是一种低成本材料，有潜力取代Pt基电催化剂。Chhetri M等人通过尿素法将所需量的硼酸，尿素和活性炭逐步混合，在离子水中溶解，将其在80℃下加热。在N₂气氛下在900℃下退火10小时，用NH₃在900℃处理4小时制备了硼碳氮化物（BCN），并对BCN的HER电催化性质做了研究。首次发现BCN是高效的HER电催化剂，其起始电位为-56 mV（vs RHE），电流密度为10 mA/cm²时的过电位为70 mV（vs RHE），显示出与Pt相当的非凡的电催化活性。该成果发表在Energy & Environmental Science, 2016, 9上。

（a）BCN的TEM图像显示了薄片的形态。（b）富碳B_xC_yN_z片的示意图，描述了B和N与碳网络的结合

简报作者: 刘芳责任编辑：张军