多孔氮化硼中的活性结构与吸附性能的理论研究

Hexagonal boron nitride (hBN), a material structurally closely related to graphite, Displays unique physical and chemical properties quite different from its carbon counterpart, including insulativity, superb corrosion resistance, high thermal chemical durability and oxidation resistance. When crystallized in porous structure, BN materials are also shown to exhibit favorable adsorption toward gaseous, organic pollutants and metal ions. These features make porous BN (p-BN) a promising alternative of carbon based materials for applications in very harsh environments. However, to elucidate the correlation of absorption properties with interface chemistry and microstructure remain a challenge and restrict the rapid development of porous boron nitride. This project is going to systematically study the active center and its growth conditions by using the first principles theory. The active sites of active porous BN will be modeled by introducing defects and surface active group and the electronic structures and electron population of the p-BN will be calculated to obtain the feature of active site. Moreover, the goal of this research is to provide a framework for the universal theory of the absorption behavior of activated p-BN, on deleterious gas and heavy metal ions, and finally to find novel environmental protection materials. Finally, we calculated defect formation energies in various chemical environments to search for growth conditions of the active site in p-BN, so as to realize the controllable synthesis of novel adsorption materials with high adsorption activity and selectivity.

六方结构氮化硼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。尤其表现在绝缘性、抗腐蚀性、高温化学惰性和抗氧化性。当形成多孔结构时，BN材料对气体小分子，有机污染物和金属离子表现出优异的吸附性能，可作为多孔炭在极端条件下的替代品。但是，吸附能力与表面结构及表面化学反应活性的联系仍未从理论和实验上理清，限制了多孔氮化硼材料的快速发展。本申请采用第一性原理计算的方法，系统研究多孔氮化硼中的活性中心及其形成的热力学条件。通过引入缺陷结构和表面活性基团模拟活性多孔氮化硼，研究其电子结构和电荷分布情况，确定高活性中心结构。通过气体小分子和重金属离子吸附的研究，建立从表面结构-电子结构-吸附性能的规律，构建吸附活性和选择性的判断标准。通过对各活性中心生成能的计算，从热力学角度指出合成高活性多孔BN的化学条件,从而实现有针对性的合成高吸附活性和选择性的多孔吸附材料。

六方结构氮化硼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。尤其表现在绝缘性、抗腐蚀性、高温化学惰性和抗氧化性。当形成多孔结 构时，BN材料对气体小分子，有机污染物和金属离子表现出优异的吸附性能，可作为多孔炭在 极端条件下的替代品。但是，吸附能力与表面结构及表面化学反应活性的联系仍未从理论和实 验上理清，限制了多孔氮化硼材料的快速发展。本申请采用第一性原理计算的方法，系统研究多孔氮化硼中的活性中心及其形成的热力学条件。.经过两年半的研究，课题组顺利完成了研究内容，达到了预期研究目标，并且研究领域还得到了进一步的扩展。目前，课题组取得的学术成果如下：通过引入缺陷结构模拟活性多孔氮化硼，研究其电子结构和电荷分布情况，确定高活性中心结构。通过气体小分子和重金属离子吸附的研究，建立从表面结构-电子结构-吸附性能的规律，构建吸附活性和选择性的判断标准。通过对各活性中心生成能的计算，从热力学角度指出合成高活性多孔BN的化学条件, 从而实现有针对性的合成高吸附活性和选择性的多孔吸附材料。具体工作为：（1）含空位缺陷的多孔BN选择性去除H2气中CO的密度泛函理论研究；（2）富硼多孔氮化硼吸附二氧化碳的密度泛函理论研究；（3）缺陷多孔氮化硼去除废水中Cr(Ⅲ)/Cr(Ⅵ)的密度泛函理论研究；（4）多孔氮化硼锚定的单原子Au催化氧还原反应(ORR)的密度泛函理论研究。