迪肯大学Ying Chen教授团队与合作者《ACS AMI》: 高浓度的氮化硼纳米片分散液

氮化硼纳米片是一种类似石墨烯的，具有六方晶体结构的二维材料。它在复合材料（尤其导热，绝缘复合材料）、储能、光催化、污水净化等领域均具有良好的应用前景。然而，由于高疏水性，氮化硼纳米片无法与很多溶剂形成稳定的分散液。这极大地限制了它的很多应用。为满足大规模应用的需求，且在可能不引入其他杂质分子的情况下，如何使用简单及低成本的方法制备稳定的高浓度氮化硼纳米片分散液已成为急需解决的科学问题。

        近日，澳大利亚迪肯大学前沿材料研究院Ying Chen 教授及其团队的博士生Hongbo Jiang， Qiran Cai博士和Srikanth Mateti博士与Yuanlie Yu教授（中国科学院兰州化学物理研究所）和Chunyi Zhi教授（香港城市大学）在ACS Applied Materials & Interfaces上合作发表了一篇题为“Boron Nitride Nanosheet Dispersion at High Concentrations”的文章 (DOI: 10.1021/acsami.1c11795)。文章作者通过使用机械力化学法将氮化硼纳米片表面进行氨基化或羟基化（图1、图2），成功制备了超高浓度的氮化硼纳米片分散液。同时，他们还揭示了功能化氮化硼纳米片在不同溶剂中的分散机理。氨基化的氮化硼纳米片具有合适的尺寸大小，较弱的纳米片间相互作用以及较强的官能团与溶剂分子间的氢键作用，使其在乙醇中的最高分散浓度达到了46 mg/mL （文献报道的最高浓度），并且能稳定3个月以上（图3、图4）。文章作者还发现，由于氨基和丙酮之间缓慢的化学反应，氨基化的氮化硼不能长时间稳定分散在丙酮中。这种超高浓度的氮化硼分散液可以像油漆一样刷到任意材料表面，形成一层抗氧化的保护层。实验结果表明，这种氮化硼保护层不仅可以使铜片的年腐蚀率降低5倍，而且还能在400 ^oC的高温下为铜片提供抗氧化保护（图5）。另外，氨基或者羟基化氮化硼纳米片能够选择性地吸附不同电性的离子，这将赋予氮化硼纳米片薄膜一新功能：选择性分离不同电性的离子（图6）。

图1、氨基或羟基化氮化硼纳米片的表征。(a), (b), (c) 和 (d) 羟基化氮化硼纳米片的扫描电镜，原子力显微镜，透射电镜照片。(e), (f), (g) 和 (h) 氨基化氮化硼纳米片相应的表征结果。

图2、氮化硼及氨基或羟基化氮化硼纳米片的X射线衍射图谱 (a) 和红外光谱 (b)；氮化硼 (c-d) 及羟基化 (e) 或氨基化 (f) 氮化硼纳米片的X射线光电子能谱。

图3、 功能化氮化硼纳米片水分散液的 (a) zeta电位；(b)丁达尔效应；(c)盐效应。

图4、 (a) 氨基化氮化硼-乙醇分散液稳定浓度与起始浓度之间的关系；(b) 不同分散液最大稳定浓度；氨基化氮化硼在丙酮中分散七天 (c) 和两个月 (d) 之后的对比照片；(e) 氮化硼纳米片最大稳定浓度比较。

图5、(a) 氮化硼纳米片保护的铜片的照片；氮化硼纳米片保护与不保护的铜片的电化学阻抗谱 (b)，塔菲尔曲线 (c) 以及在不同温度热处理后的拉曼谱图 (d)；(e) 氮化硼纳米片涂覆的表面不规则的不锈钢螺丝。

图6、氨基或羟基化氮化硼纳米片吸附前后的 (a) FeCl₃, (b) K₄Fe(CN)₆, and (c) K₂MnO₄溶液的紫外可见光谱，以及吸附量差值 (%) 随起始浓度的变化曲线 (d)。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c11795

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