超高比表面六方氮化硼材料的微观结构化学基础

Porous boron nitride materials have important applications in many fields, such like water purifications, thermal conductivity enhancement, catalyst supports, adsorption, separation, etc. Currently, the microstructural and chemical bonding mechanisms prevent from obtaining the high-specific-surface BN materials are still unknown. This project will focus on this key problem faced by porous BN material research, will start from the preparation and characterization of BN materials with different microstructures and chemical bonding states, and explore the relations among precursor components, product microstructural/chemical bonding features, specific surface and porosity parameters. The bonding states of all kinds of atoms in BN materials will be systematically investigated, including the influences of dislocation, residual functional groups, heteroatoms on the material microstructure and chemical bonding nature, as well as on its specific surface area and porosity. This research is expected to guide future synthesis of the BN materials with superhigh specific surface areas that may approach theoretical limitations, and be helpful to push porous boron nitride materials toward practical applications. This research on the one hand will in-depth explore the chemical structure features of high-specific-surface BN materials to answer the basic problem of how the highly porous BN structures can be stabilized, on the other hand will synthesis of the BN materials with superhigh specific surface areas in experiment. This proposal should be of both high values for basic research and potential applications.

多孔氮化硼材料在水体净化、热导增强、催化剂负载、吸附、分离等领域有着广泛而重要的应用。目前制约高比表面多孔BN材料合成的关键是其微观结构化学机制不明。本项目将针对高比表面BN材料研究中的这一关键问题，从BN不同微观结构和化学键的构建与表征入手，探索前驱体组分、产物微观结构/化学键、孔性参数（如比表面等）等因素之间的联系规律；系统研究高比表面BN材料中各种原子的成键方式，揭示位错、残留官能团、杂原子等对改变材料微观结构和化学键合特征、对形成和稳定材料的高比表面特性和高度孔隙结构所起的作用；指导制备出比表面超高的、接近理论预测值的BN新材料，为推动多孔BN材料早日走向实用化奠定基础。本项目的研究一方面将深入探究高比表面BN材料的微观结构化学特点，为回答BN高度孔隙结构是如何稳定存在的这一基本问题找到答案，另一方面也将在实验上合成比表面超高的BN材料，是皆具基础研究价值和应用前景的前瞻性研究。

高比表面多孔氮化硼是一类非常具有应用前景和研究价值的材料，在吸附、分离、催化等领域前景广阔。但多孔氮化硼相对于其他多孔材料来说，所能达到的比表面值偏低、表面化学功能化困难，成为制约其走向实用化的阻碍因素。在机制研究上，也不清楚多孔氮化硼材料难以突破当前比表面值上限的微观化学结构基础。针对这些问题，申请人设计构建了3种多孔氮化硼材料体系，系统地表征了其孔结构和化学结构，并分别研究了它们的储氢、吸附不同尺度污染物、吸油等方面的性能及其与微观化学结构之间的联系。发现了C、O共掺杂虽难以提升多孔BN材料比表面积，但其单位比表面积的氢气吸附量是未掺杂多孔BN的2.5-4.7倍，这在实验上直接证明了表面化学修饰对提升多孔BN储氢容量重要性；构建了具有多级孔结构的纤维基BN气凝胶，并研究了一步高效去除水中不同尺度污染物的机制；此外，也发展了一类吸油性能优异的大孔氮化硼微球，其吸油量是常规h-BN的12.4倍，极具实用价值。这些进展很大程度上加深了对多孔氮化硼材料的结构化学理解，并推动了其走向实用化的进程，相关工作发表SCI论文11篇，申请专利2项，培养研究生5名，参加学术会议5次，完成了相关预定目标。

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