你听说过比空气还轻的固体材料吗？
它就是气凝胶，它到底有多轻呢？据了解，气凝胶有很多种，像硅气凝胶、石墨烯气凝胶等密度比空气还要轻，研究者们曾给一些气凝胶取名“凝固的烟”，“飞行的墨”等，这足以看出气凝胶有多轻了。
（碳气凝胶—图片来源于网络）
今天我们要介绍的这种材料是氮化硼气凝胶，它的密度也非常的低，有研究者曾把它放在狗尾巴草上，狗尾巴草基本没有弯曲的现象。
气凝胶及h-BN气凝胶研究历程
气凝胶是具有三维互联多孔网络微观结构、高孔隙率和大比表面积的超轻材料。气凝胶的这些优异的性能，使其在热/声/电绝缘、催化剂载体、药物载体、储能、吸附剂、传感器等应用中表现出突出的优势。
（镍-气凝胶放到蒲公英之上）
1931年，英国科学家Kistler制备了世界上第一块二氧化硅气凝胶，因其孔隙率大、密度低，吸引了无数科学家的关注。20世纪60年代，在法国政府的支持下，法国研究人员找到了一种新的合成方法即溶胶-凝胶法，以正硅酸四甲酯作为硅源制备多孔二氧化硅气凝胶，从而推动了气凝胶的迅速发展。进入20世纪90年代，气凝胶的研究更加深入，科学家相继发展了包括金属氧化物气凝胶、碳材料气凝胶、聚合物超分子气凝胶、氮化硼(BN)气凝胶以及蛋白质基气凝胶等。
六方氮化硼分子结构示意图
2004年，随着石墨烯的发现及其优异性能的不断开发，二维纳米材料已成为当前的研究热点。在其他众多二维材料中，六方氮化硼(h-BN)纳米片因与石墨烯具有类似的结构，以及优异的机械强度、优良的化学稳定性、宽的带隙、高的电绝缘性、优异的导热性及高温润滑性等优点而受到广泛关注。
h-BN气凝胶制备方法
h-BN基气凝胶的制备方法主要有冷冻干燥法、模板辅助化学气相沉积法和复合交联法。
1、冷冻干燥法
冷冻干燥是以冰晶为模板，当冰晶从底部开始生长时，h-BN纳米片被冰晶挤压，使得h-BN纳米片沿着冰晶生成的方向堆叠，构筑成稳定的固态结构。随着温度回升，冰升华，在h-BN纳米片之间留下稳定的多孔结构，从而制备出h-BN纳米片基气凝胶。
此方法操作简单，且可根据不同需要制备不同形状和尺寸的气凝胶。
（图片来源于网络）
2、模板辅助化学气相沉积法
模板辅助化学气相沉积(CVD)法是利用无机或有机高分子为模板，反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在固态模板基体表面，随后通过化学方法去除模板，进而制得固体材料的工艺技术。
此方法所制备的h-BN基气凝胶具有高比表面积、大孔隙率。该方法可以很好地复制模板的结构轮廓，可通过改变模板孔径尺寸大小制备不同孔隙率的气凝胶，但是在去除模板的过程中往往需要一定的溶剂刻蚀，造成模板不能回收利用，对资源造成浪费，不适合大规模生产。
3、复合交联法
h-BN表面官能团较少，化学稳定性强，在水中的分散性较差，靠h-BN纳米片(或纳米棒)自交联形成稳定凝胶较为困难，因此通过引入含有多官能团的纳米纤维或交联剂，与其他相邻层之间相互连接，形成化学交联，辅助构建3D框架结构，成为一个崭新的思路。
h-BN纳米结构及其功能衍生物与多官能团的交联剂进行交联，可以有效地增强h-BN与聚合物之间的相互作用，提高复合气凝胶的性能。此外，作为不同无机、有机聚合物的高级填料，可以通过改变h-BN的添加量，使部分机械载荷转移到h-BN结构，有效地提高复合物的弹性模量、抗拉强度和导热等性能。
h-BN气凝胶的应用
1、导热填料
现代电子产品在高速运转时，由于电力消耗，设备会产生多余的热量，如果不能及时散热，会严重损坏电子设备，因此提高电子设备的散热性能已成为电子产品高效长期运转的主要影响因素。目前常用的传统填料有碳化硅纳米线、铜纳米线和碳纤维(CFS)等，但是，传统填料的热导率提高效率较低。近年来，随着纳米材料的发展，许多新型高导热纳米材料被相继开发，并用于提高聚合物导热性，h-BN基纳米材料，作为碳基材料的结构相似体，不仅具有固有的高导热性，而且还可以剥落成超薄的2D纳米片，已成为一种极有前途的导热填料。
2、吸附材料
h-BN微/纳米结构构建的超轻气凝胶具有更高的内部连通性，这种交联的h-BN微/纳结构表面具有开放连通的网络粗糙度以及三维结构丰富的多孔空间，导致h-BN基气凝胶具有极高的孔隙率，有利于气体或液体在吸收过程中的渗透，特别是高黏度的流体。
如氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源，引起了人们的高度重视，而氢能的储运则是氢能应用的关键。研究表明，H2分子在BN表面的结合能比在碳上的结合能高40%，因此BN气凝胶有望用作储氢材料。
3、催化
BN良好的化学稳定性和抗氧化性使其在高温和氧化条件下表现出优于传统催化剂载体的性能。此外，BN气凝胶的多孔网状结构有利于反应物的扩散，超高的比表面积可以最大程度地负载金属活性组分，进而提高催化性能。
4、污水净化
研究表明，吸附效率与吸附剂的孔径尺寸、孔隙率和比表面积密切相关。BN气凝胶中微小而均匀分布的孔隙不仅赋予BN气凝胶超高的比表面积，使吸附位点充分暴露，而且有效减小了被吸附物由气凝胶表面进入内部的阻力，更有利于吸附过程的持续进行。此外，BN气凝胶良好的疏水亲油性保证了吸附水中有机溶剂的能力，并呈现出经济和高效的特点。
结 束 语
h-BN由于其良好的力学性能、优异的化学稳定性、导热性能和高比表面积被大量应用于导热、电子设备包装、气体吸附、储能以及水处理方面，但是由于h-BN表面官能团较少，在水中分散性差、极易团聚，影响其实际应用。而h-BN基气凝胶将h-BN的优异性能和三维多孔结构相结合，使其具有丰富的孔道结构、较低的密度、高的比表面积和优异的弹性恢复性，拓展了h-BN基材料的实用性。未来如何更高效、更低成本大规模地制备h-BN基气凝胶仍然是一个重要的研究方向。相信随着制备手段和设备发展，会开发出比表面积更大、孔径更均匀的h-BN基气凝胶。
参考来源：
[1]赵召等.六方氮化硼气凝胶的制备及其导热和吸附性能的研究进展
[2]柳凤琦等.氮化硼气凝胶的制备及其应用进展
（中国粉体网编辑整理/山川）
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