氮化硼气凝胶的可控合成、改性及吸附性能研究

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氮化硼(BN)气凝胶是一类由微纳BN结构单元组装而成的三维多孔轻质材料,在能源储存、催化剂载体、环境修复等领域具有广泛的应用前景。开发具有优异性能的BN气凝胶以及对BN气凝胶进行修饰改性对于实现BN气凝胶的实际应用具有重要意义。本文围绕基于多孔BN纤维的BN气凝胶的可控合成及修饰改性开展研究,主要研究内容如下:1.以硼酸和三聚氰胺为原料,通过超声辅助结合冷冻干燥制备了密胺二硼酸(M?2B)气凝胶作为前驱体,然后利用感应加热法热解M?2B前驱体得到基于多孔BN纤维的气凝胶。研究了感应加热法中升温速率和加热温度对BN气凝胶形貌、结构、成分以及性能的影响。研究表明,具有快速升温和超高热解温度特点的感应热解方式可大幅度缩短BN纳米晶的生长时间,在保持BN微纳结构的同时实现了其纯度和结晶性的提高。随着感应热解电压的提高,所制备的气凝胶内部BN纤维的结晶度逐渐提高,碳、氧杂质含量逐渐降低。感应加热合成的BN气凝胶表现出优异的综合性能,包括突出的热稳定性和抗氧化性,良好的力学性能和热绝缘性。2.以BN气凝胶为骨架,在其内部BN纤维表面原位生长平均粒径为~50 nm的ZIF-8颗粒,合成了ZIF-8@BN气凝胶复合材料。所制备的复合材料具有良好的结构稳定性、大的比表面积和丰富的官能团。碘吸附实验表明ZIF-8@BN气凝胶复合材料表现出优异的碘吸附性能,最大吸附量为~398 wt%。ZIF-8颗粒与BN气凝胶具有良好的协同吸附作用,分级多孔结构以及丰富的活性位点有利于碘分子的扩散和吸附。在吸附过程初期“主-客”相互作用占主导地位,随着吸附时间的增加“客-客”作用逐渐增强。3.通过在BN气凝胶前驱体的合成过程中引入锌离子,达到对BN气凝胶原位改性的效果,成功制备了Zn-BN气凝胶。锌离子的添加起到了促进M?2B分子晶体形核的作用,有利于M?2B前驱体的析出。在高温热解过程中金属锌的蒸发导致多孔BN产生更多的缺陷,使得BN气凝胶的比表面积(~925 m~2·g-1)和孔体积(~0.426 cm~3·g-1)相比于未经改性的气凝胶得到显著提升。所制备的Zn-BN气凝胶对CO2气体、多种油类及有机溶剂表现出良好的吸附性能。此外,优异的力学强度和隔热性能使其在实际应用中具有较大的潜力。
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