基于多孔氮化硼微纳纤维的超轻气凝胶的构筑及性能研究

As a kind of porous monolithic materials with extremely low density, aerogels have broad application prospects in many fields, such as military, aerospace, environmental protection, energy, medicine, etc. This project aims to develop an effective and low-cost methods for the synthesis of ultra-light and mechanical robust boron nitride (BN) aerogels based on the architectures of one-dimensional porous BN micro/nano-fibers. For this purpose, we propose that xerogels consisting of highly cross-linked fibrous melamine diborate molecular crystals could be prepared via an ultrasonic-assisted crystal growth and freeze-drying technique firstly, and then be in-situ converted into BN aerogels by a subsequent pyrolysis process. The influence of the synthetic conditions on the size, density, specific surface area and pore structures of the products will be studied in detail, as well as the mechanical and adsorption properties of the products. Through this study, the correlation of the synthesis route, microstructures and properties of the products will be established, and their application as adsorbent for environment protection will be explored. Taking account of the superb antioxidation and thermal stability of BN, this aerogels developped in this project will lead to a new kinds of structure-function integrated materials holding great advantages in applications under extreme harsh conditions.

气凝胶作为一类具有发达孔隙结构的整体性材料，在军事、航天、环保、能源、医药等领域具有广阔的应用前景。本项目致力于发展具有超轻密度、良好机械性能及吸附性能的氮化硼（BN）气凝胶的高效、低成本制备方法，构筑新型的基于一维多孔BN微纳纤维的气凝胶体系，即通过引入超声波辅助原位生长及冷冻干燥技术，首先制备由高长径比含硼氮分子晶体纤维交织组装而成的宏观块体前驱体，再经高温裂解获得由高长径比、大比表面积、丰富孔结构和良好机械性能的多孔BN纤维构筑而成的气凝胶。探索合成条件对产物尺寸、密度、比表面积、孔结构等的影响规律，深入研究所合成的BN气凝胶的机械及吸附性能，建立合成条件、产物结构和性能之间的关联，探索这种新型BN气凝胶在环境保护、催化剂载体等领域中的应用。鉴于BN所具有的高温抗氧化性和良好热稳定性，本项目所构筑的气凝胶材料在苛刻使役环境中将具有更高的可靠性和安全性，有望成为新型结构功能一体化材料。

具有超轻密度、良好力学性能和吸附性能的氮化硼（BN）气凝胶材料在环境保护、催化等领域展现出巨大的应用前景。本项目发展了BN气凝胶的高效、低成本合成方法，制备了由多孔BN微纳纤维组装而成的BN气凝胶，深入研究了合成条件对气凝胶形貌、结构和性能的影响，实现了BN气凝胶的可控合成、性能优化，探索了BN气凝胶在污染物吸附及在构筑新型高效催化剂中的应用。重要研究成果包括：（1）提出了一种制备大尺寸BN气凝胶的新方法，即首先利用超声辅助合成由密胺二硼酸微纳纤维交织构成的宏观组装体，再经冷冻干燥和高温热解得到BN气凝胶，开辟了利用高长径比多孔BN纤维作为基本单元构筑BN气凝胶的新思路。所合成的BN气凝胶具有低密度、高孔隙率、高比表面积以及良好的切割加工性能。（2）系统研究了气凝胶合成中超声频率、热解气氛、热解温度以及升温速率等工艺参数对BN气凝胶晶化程度、杂质含量、孔结构、比表面积、力学性能、热稳定性、抗氧化性、电绝缘性等的影响，明确了合成条件与产物结构和性能的关联，实现了气凝胶的可控合成以及综合性能优化。（3）具有发达孔隙结构及良好力学性能的BN气凝胶展现了对重金属离子、有机溶剂、CO2气体以及碘分子优异的吸附性能。结合理论计算，深入研究了BN气凝胶的吸附特性，为BN气凝胶作为新型吸附材料在污染物处理中的应用提供了实验和理论依据。（4）通过将多孔BN纳米纤维与PVA水溶液进行低温冷冻以及干燥，成功获得了基于多孔BN纳米纤维、由聚合物增强的复合气凝胶。该气凝胶具有蜂窝状多孔结构、良好的力学性能以及对有机溶剂、有机染料和CO2气体良好的吸附能力。（5）通过对多孔BN纤维表面负载金属纳米颗粒，构筑了基于多孔BN纤维的新型复合催化剂，探索了其在氧还原、甲酸脱氢、氨硼烷水解制氢等反应中的催化特性，为多孔BN纤维气凝胶在催化及新能源领域的应用奠定基础。项目资助下发表SCI论文39篇，申请发明专利10项，培养研究生10名。