你聽說過比空氣還輕的固體材料嗎？
它就是氣凝膠，它到底有多輕呢？據(jù)了解，氣凝膠有很多種，像硅氣凝膠、石墨烯氣凝膠等密度比空氣還要輕，研究者們?cè)o一些氣凝膠取名“凝固的煙”，“飛行的墨”等，這足以看出氣凝膠有多輕了。
（碳?xì)饽z—圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
今天我們要介紹的這種材料是氮化硼氣凝膠，它的密度也非常的低，有研究者曾把它放在狗尾巴草上，狗尾巴草基本沒有彎曲的現(xiàn)象。
氣凝膠及h-BN氣凝膠研究歷程
氣凝膠是具有三維互聯(lián)多孔網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)、高孔隙率和大比表面積的超輕材料。氣凝膠的這些優(yōu)異的性能，使其在熱/聲/電絕緣、催化劑載體、藥物載體、儲(chǔ)能、吸附劑、傳感器等應(yīng)用中表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)。
（鎳-氣凝膠放到蒲公英之上）
1931年，英國科學(xué)家Kistler制備了世界上第一塊二氧化硅氣凝膠，因其孔隙率大、密度低，吸引了無數(shù)科學(xué)家的關(guān)注。20世紀(jì)60年代，在法國政府的支持下，法國研究人員找到了一種新的合成方法即溶膠-凝膠法，以正硅酸四甲酯作為硅源制備多孔二氧化硅氣凝膠，從而推動(dòng)了氣凝膠的迅速發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，氣凝膠的研究更加深入，科學(xué)家相繼發(fā)展了包括金屬氧化物氣凝膠、碳材料氣凝膠、聚合物超分子氣凝膠、氮化硼(BN)氣凝膠以及蛋白質(zhì)基氣凝膠等。
六方氮化硼分子結(jié)構(gòu)示意圖
2004年，隨著石墨烯的發(fā)現(xiàn)及其優(yōu)異性能的不斷開發(fā)，二維納米材料已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。在其他眾多二維材料中，六方氮化硼(h-BN)納米片因與石墨烯具有類似的結(jié)構(gòu)，以及優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、寬的帶隙、高的電絕緣性、優(yōu)異的導(dǎo)熱性及高溫潤滑性等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。
h-BN氣凝膠制備方法
h-BN基氣凝膠的制備方法主要有冷凍干燥法、模板輔助化學(xué)氣相沉積法和復(fù)合交聯(lián)法。
1、冷凍干燥法
冷凍干燥是以冰晶為模板，當(dāng)冰晶從底部開始生長時(shí)，h-BN納米片被冰晶擠壓，使得h-BN納米片沿著冰晶生成的方向堆疊，構(gòu)筑成穩(wěn)定的固態(tài)結(jié)構(gòu)。隨著溫度回升，冰升華，在h-BN納米片之間留下穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)，從而制備出h-BN納米片基氣凝膠。
此方法操作簡單，且可根據(jù)不同需要制備不同形狀和尺寸的氣凝膠。
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
2、模板輔助化學(xué)氣相沉積法
模板輔助化學(xué)氣相沉積(CVD)法是利用無機(jī)或有機(jī)高分子為模板，反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在固態(tài)模板基體表面，隨后通過化學(xué)方法去除模板，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。
此方法所制備的h-BN基氣凝膠具有高比表面積、大孔隙率。該方法可以很好地復(fù)制模板的結(jié)構(gòu)輪廓，可通過改變模板孔徑尺寸大小制備不同孔隙率的氣凝膠，但是在去除模板的過程中往往需要一定的溶劑刻蝕，造成模板不能回收利用，對(duì)資源造成浪費(fèi)，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。
3、復(fù)合交聯(lián)法
h-BN表面官能團(tuán)較少，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，在水中的分散性較差，靠h-BN納米片(或納米棒)自交聯(lián)形成穩(wěn)定凝膠較為困難，因此通過引入含有多官能團(tuán)的納米纖維或交聯(lián)劑，與其他相鄰層之間相互連接，形成化學(xué)交聯(lián)，輔助構(gòu)建3D框架結(jié)構(gòu)，成為一個(gè)嶄新的思路。
h-BN納米結(jié)構(gòu)及其功能衍生物與多官能團(tuán)的交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)，可以有效地增強(qiáng)h-BN與聚合物之間的相互作用，提高復(fù)合氣凝膠的性能。此外，作為不同無機(jī)、有機(jī)聚合物的高級(jí)填料，可以通過改變h-BN的添加量，使部分機(jī)械載荷轉(zhuǎn)移到h-BN結(jié)構(gòu)，有效地提高復(fù)合物的彈性模量、抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)熱等性能。
h-BN氣凝膠的應(yīng)用
1、導(dǎo)熱填料
現(xiàn)代電子產(chǎn)品在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于電力消耗，設(shè)備會(huì)產(chǎn)生多余的熱量，如果不能及時(shí)散熱，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞電子設(shè)備，因此提高電子設(shè)備的散熱性能已成為電子產(chǎn)品高效長期運(yùn)轉(zhuǎn)的主要影響因素。目前常用的傳統(tǒng)填料有碳化硅納米線、銅納米線和碳纖維(CFS)等，但是，傳統(tǒng)填料的熱導(dǎo)率提高效率較低。近年來，隨著納米材料的發(fā)展，許多新型高導(dǎo)熱納米材料被相繼開發(fā)，并用于提高聚合物導(dǎo)熱性，h-BN基納米材料，作為碳基材料的結(jié)構(gòu)相似體，不僅具有固有的高導(dǎo)熱性，而且還可以剝落成超薄的2D納米片，已成為一種極有前途的導(dǎo)熱填料。
2、吸附材料
h-BN微/納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建的超輕氣凝膠具有更高的內(nèi)部連通性，這種交聯(lián)的h-BN微/納結(jié)構(gòu)表面具有開放連通的網(wǎng)絡(luò)粗糙度以及三維結(jié)構(gòu)豐富的多孔空間，導(dǎo)致h-BN基氣凝膠具有極高的孔隙率，有利于氣體或液體在吸收過程中的滲透，特別是高黏度的流體。
如氫能作為一種儲(chǔ)量豐富、來源廣泛、能量密度高的綠色能源，引起了人們的高度重視，而氫能的儲(chǔ)運(yùn)則是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵。研究表明，H2分子在BN表面的結(jié)合能比在碳上的結(jié)合能高40%，因此BN氣凝膠有望用作儲(chǔ)氫材料。
3、催化
BN良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性使其在高溫和氧化條件下表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑載體的性能。此外，BN氣凝膠的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于反應(yīng)物的擴(kuò)散，超高的比表面積可以最大程度地負(fù)載金屬活性組分，進(jìn)而提高催化性能。
4、污水凈化
研究表明，吸附效率與吸附劑的孔徑尺寸、孔隙率和比表面積密切相關(guān)。BN氣凝膠中微小而均勻分布的孔隙不僅賦予BN氣凝膠超高的比表面積，使吸附位點(diǎn)充分暴露，而且有效減小了被吸附物由氣凝膠表面進(jìn)入內(nèi)部的阻力，更有利于吸附過程的持續(xù)進(jìn)行。此外，BN氣凝膠良好的疏水親油性保證了吸附水中有機(jī)溶劑的能力，并呈現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)和高效的特點(diǎn)。
結(jié) 束 語
h-BN由于其良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性能和高比表面積被大量應(yīng)用于導(dǎo)熱、電子設(shè)備包裝、氣體吸附、儲(chǔ)能以及水處理方面，但是由于h-BN表面官能團(tuán)較少，在水中分散性差、極易團(tuán)聚，影響其實(shí)際應(yīng)用。而h-BN基氣凝膠將h-BN的優(yōu)異性能和三維多孔結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使其具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)、較低的密度、高的比表面積和優(yōu)異的彈性恢復(fù)性，拓展了h-BN基材料的實(shí)用性。未來如何更高效、更低成本大規(guī)模地制備h-BN基氣凝膠仍然是一個(gè)重要的研究方向。相信隨著制備手段和設(shè)備發(fā)展，會(huì)開發(fā)出比表面積更大、孔徑更均勻的h-BN基氣凝膠。
參考來源：
[1]趙召等.六方氮化硼氣凝膠的制備及其導(dǎo)熱和吸附性能的研究進(jìn)展
[2]柳鳳琦等.氮化硼氣凝膠的制備及其應(yīng)用進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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