作为关键的能源环保材料,以沸石、粘土和多孔碳材为代表的多孔材料在石化、电力、食品、贵金属等行业的能源再生和环境保护领域的作用逐渐得到了广泛认识,日益凸显其重要作用。这些多孔固体材料表现出的卓越的吸附、催化、机械和化学特性提供了能源环保材料所需要的大部分关键要求,已经广泛使用于包括有害气氛或重金属吸附、净化脱色分离、化工催化及催化剂支撑、氢气存储与释放、污水处理、海水淡化及元素提取等领域。在这些材料中,历史悠久且研究最为深入的材料之一是多孔碳材(porous carbon)。
多孔碳材又称活性炭(activated carbon),具有发达的孔隙结构、极大的比表面积(大于1500 m2/g)和超强的吸附能力和表面活性,是目前最为经济和广泛使用的多孔材料。然而就吸附性质而言,在现代能源环保材料使用中,不仅需要材料本身的高效吸附还需要考虑材料的再生性和安全性。由于碳材料本身具有的强烈反应活性、较差的热稳定性和低的抗氧化性,活性炭的易燃性和再生处理一直存在着技术上的挑战。为此,发展具有更高稳定性、易于再生的新型吸附材料成为科学界和产业界追求的目标。
B-N键是C-C的等电子体,因此具有与石墨类似的晶体结构和化学特性,但也存在着明显不同于石墨材料的物理和化学性质。尤其表现在hBN的绝缘性、高温化学惰性和热稳定性。更为关键的是B-N具有C-C键体不具备的局域极性,由于极性位通常能够改进吸附性质,所以BN材料是理论上是很有希望的在高温或极端条件下稳定的高效催化吸附材料[3]。另外由于BN可以在800 °C以上的高温下在空气或有机气氛下使用,吸附后的再生过程相对容易和安全。
我们定义活性氮化硼(activated boron nitride) 为具有发达的内部颗粒孔隙、高的比表面积和表面反应活性的hBN。关于这方面的工作的基本思路是:
1. 提高hBN的比表面积和表面反应活性,考察表面、杂质或缺陷与吸附性质之间的实质关联,建立相关的BN吸附理论。
2. 由于比表面积的提高和表面化学性质的活化是活性氮化硼性质的最重要的两个因素,在此基础之上进行的具有高效吸附特性的活性氮化硼的实验合成研究有重要的应用前景。开展更为深入的实验探索,获得新的高效吸附材料,发现并阐明新的现象或新的效应,建立结构和性能的定量关联,取得系列原创性的、具有自主知识产权的研究成果。
目前已经取得的进展包括:
1. 通过湿化学方法合成了前驱体,经过控制裂解获得比表面积达2000 m2/g、孔体积高达1.66 cm3/g、高吸附性的活性氮化硼纤维。所得活性氮化硼具有微孔/介孔结构特征,其孔径主要分布在 ~1.3,~2.7,~3.9纳米,并且具有大量有机官能团和丰富的表面缺陷。这些特征使得活性氮化硼对环境中重金属离子、有毒气体和有机污染物具有快速而高效的吸附。此合成活性氮化硼方法采用的原料均属于已经工业化生产的普通化工原材料,廉价易得,无毒,且适合规模化生产。
2. 采用第一性原理计算和分子动力学研究氮化硼微纳结构的表面吸附、掺杂改性、缺陷状态等对材料物理、化学、生物特性等方面性质的作用。