南京大学姚亚刚教授、迪肯大学陈英教授《Chem. Eng. J.》综述: 氮化硼纳米管制备与应用的研究进展

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氮化硼纳米管因其具有优异的化学稳定性、抗氧化性、高导热性和较强的机械强度，在热管理、复合材料、水净化薄膜等领域具有良好的应用前景。然而，缺乏有效的制备方法以获得高纯度高产量的产物是目前氮化硼纳米管研究领域的关键挑战。因此，总结当前氮化硼纳米管的制备方法和应用领域的研究进展，探究未来氮化硼纳米管领域的机遇和挑战具有十分重要的意义。

在这篇综述中，我们首先系统的总结当前氮化硼纳米管的制备方法，包括电弧放电、激光烧蚀、球磨退火法、模板取代法、热等离子体法和化学气相沉积（CVD）等。考虑到未来氮化硼纳米管的结构控制研究发展，我们从实验装置、前驱体、催化剂和反应气体等角度全面而详细的介绍了CVD法制备氮化硼纳米管的进展。然后基于氮化硼纳米管优异的性质，从复合材料、水净化薄膜、光学器件和生物医药等领域概述了当前氮化硼纳米管的应用研究报道。最后，我们提出了现阶段氮化硼纳米管材料在制备和应用方面所面临的挑战和潜在的机遇，为未来的研究指明了方向，同时希望能够激发和鼓励更多在该领域的研究工作。

图文解析

图1. (a) 氮化硼纳米管和 (b) 碳纳米管的结构模型。

图2. (a) 基于球磨退火法制备出高产量BNNTs的SEM图， (b) 竹节状产物BNNTs的TEM图, (c) 超过1cm长的BNNTs的SEM图。

图3. (a) 通过热等离子体法大批量制备BNNTs的示意图，(b-c) 高产量BNNTs，产率达到20g/h, (d-e) 小直径少壁BNNTs产物的TEM, BNNTs的宏观组装体，包括 (f) 超过22cm长的BNNTs纱线, (g) 透明的BNNTs薄膜，(h) 柔性的BNNTs巴基纸和 (i) 由巴基纸折出的纸蝴蝶的光学照片。

图4. (a)单温区和 (b)双温区管式炉示意图, (c) 在水平管式炉中放置石英舟的装置示意图, (d) 立式炉的示意图。

图5. 基于MgB₂催化剂所制备的BNNTs产物的 (a-b) SEM图和 (c) TEM图, (d) 使用Li₂O为催化剂的生长过程和反应条件示意图, (e-h) 基底上图案化生长BNNTs的照片。

图6. (a) 氮化硼纳米管复合材料的制备示意图，(b) CNF/BNNTs复合材料在不同氮化硼纳米管含量下的面内热导率，(c) 在同一环境下的两种散热器的温度变化, (d) BNNTs/RGO气凝胶在压缩和恢复过程中的照片，(e) 纯PEG，RGO/PEG和BNNTs/RGO/PEG复合材料在100℃下十分钟内的形状变化对比, (f) Al-BNNTs复合材料的纳米硬度和弹性模量。 

图7.(a) 在 t=0 s、t=3 s 和 t=60 s 时使用氮化硼的吸油实验照片, BNNTs不影响HEK 293 (b) 细胞增殖和 (c) 细胞活力, (d) 碲-BNNTs场效应管装置的示意图, (e) BNNTs催化丙烷选择性氧化脱氢制丙烯

总结展望

在这篇综述中，我们回顾了BNNTs从制备到应用中许多重要的报道。作为一个人工制备的纳米材料，当BNNTs具有成熟的制备技术时，才能深入研究其性质和大规模应用。而对于宏观方面的应用例如复合材料，关键性的问题是获得高产量且高品质的BNNTs。许多方法目前也已经被应用于BNNTs的制备，包括电弧放电、激光烧蚀、模板制备、热等离子体法和化学气相沉积法。就产量方面而言，通过热等离子体法已经取得了一些有希望的结果，但需要后续的纯化工作来得到高纯度的产品，这也是未来研究的重点之一。另一方面，参考CNTs的合成历史，结构控制，如纳米管的取向、直径和壁数是另一个关键且具有挑战性的问题。

以下是我们认为目前的研究领域中所面临的诸多挑战以及未来前景，以加速对于BNNTs制备和先进应用的领域的发展。

1） 对于结构控制，CVD法被认为是一种理想的研究路径，由于其具有成本低和可控性好等优点。CVD体系中的实验参数如催化剂、反应温度和气氛或许是重要的影响因素。

2） 在CVD方法中，考虑到气态硼源的毒性，通常使用固态硼源。为了提高产量，可以设计管式炉装置从而将固态硼源连续的引入到CVD体系中。将固态硼源和催化剂在高温下升华，随后随载气进入到管式炉中参与反应或许是一种可行的方法。

3） 虽然在高效催化剂方面已经进行了一些尝试。但清晰的生长机理和更具说服力的猜想仍然是必要的，这将促进BNNTs的宏量制备和结构控制。

4） 基于BNNTs的优异性质，越来越多新颖的应用被发现。受益于制备方面所取得的突破，BNNTs聚集体的发展变得可行，从而在宏观水平上表现出其优异的性质。

作者简介

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姚亚刚，南京大学现代工程与应用科学学院教授。2004年7月毕业于兰州大学化学化工学院，同年保送至北京大学化学与分子工程学院硕博连读，2009年7月博士毕业后到美国乔治亚理工学院进行博士后研究，2014年任中科院苏州纳米所研究员，2018年调入南京大学现代工程与应用科学学院。一直从事低维材料的控制合成及其在柔性储能器件和热管理中的应用研究，在高导热界面材料的设计与控制制备以及柔性储能器件与集成等方面取得了系统成果。曾获国家自然科学基金委优秀青年科学基金、海外高层次人才、全国百篇优秀博士学位论文等。

陈英，现为澳大利亚迪肯大学纳米科学首席终身教授，澳大利亚国家纳米功能材料研究中心迪肯中心主任。1986获得清华大学学士学位，1993年获得法国巴黎第十一大学博士学位。1993-1994年在澳大利亚国立大学进行博士后研究。主要研究领域是新型纳米材料的合成及其在储能和环境保护方面的应用。目前已在Nature Commun.,JACS,Angew.Chem.,Adv.Mater.等学术期刊发表SCI论文>400篇，他引>20000次，H因子77。 

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472105692

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