碳/铁掺杂氮化硼材料的合成及吸附和光催化性能研究

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氮化硼(BN)是一种不含金属的半导体材料,其六方相氮化硼(h-BN)具有片层态晶体结构,属常温最稳定相。相比于零带隙石墨烯材料,六方氮化硼材料具有可谐调的宽带隙能带结构而呈现超越碳材料的热稳定性,同时抗氧化、化学惰性等性能良好。其具备的高温导热活性、优良的高压介电性能、可透波吸收中子等独特理化性质,使其常用作复合材料的填充剂,用以提升材料综合性能。另外,多孔结构的h-BN材料具有较高的比表面积,吸附活性突出,在催化剂载体、吸附催化、生物医药领域以及其它极端环境条件下具有广泛的应用前景。本文着重研究了六方相氮化硼、掺杂碳(C)的硼碳氮(BCN)材料、Fe改性的Fe/BN材料的合成及吸附和光催化性能。同时研究了添加氮化硼的氮化硼/聚丙烯腈(BN/PAN)杂化纳米纤维的合成、热性能及吸附性能。具体内容和研究结果如下:(1)以无需提纯的硼酸和三聚氰胺为硼氮源,改变原料摩尔配比,在较低温度制备了超分子结构的氮化硼前驱体(2H3BO3·C6N6H6),然后将其与不同比例的花生壳生物质炭粉末均匀混合。氮气保护气氛下,在1000℃热处理4 h得到了碳掺杂的BCN材料。对产物进行X射线晶体衍射分析、红外光谱测试、扫描电镜形貌观测,分析了其物相组成、结构和微观形貌,测试了对甲基橙染料(MO)的吸附性能,探索了吸附机理。研究结果表明,硼酸和三聚氰胺摩尔比为2:1时,生成2H3BO3·C6N6H6,此时原料利用率高,结晶性好。高温热解制得的BCN材料实现了h-BN和碳材料的有效结合。其中,BCN-7样品比表面积高达837.7 m2/g,扫描电镜形貌分析显示为多孔片状结构,片层厚度约为5 nm。对甲基橙的吸附性研究结果是:吸附性最好的BCN-7对甲基橙的吸附效率可以在40 min达到97%,60 min达到99%。(2)同样以硼酸、三聚氰胺以及不同质量的纳米Fe3O4粉体为原料,通过热处理制备了新型铁改性Fe/BN材料。通过X射线晶体衍射分析、电镜分析、紫外-可见漫反射分析、比表面积测试、X光电子能谱分析等手段对合成的Fe/BN材料的物相组成、原子键合状态和光催化性能进行了着重分析。在热处理条件下,大部分Fe3O4粉末被还原为铁纳米粒子。合成的BN3样品具有多孔管状结构,管壁由尺寸约为50 nm的Fe纳米颗粒组成。紫外吸收光谱显示,铁掺杂的BN3材料可见光吸收波长为550 nm。通过可见光照射下的降解甲基橙染料的实验,研究了Fe/BN材料的光催化活性。结果表明,BN3对甲基橙的光降解活性最好,可见光照射下在45 min能够快速降解99.1%的MO。(3)以二甲基甲酰胺(DMF)为有机溶剂,通过改变聚丙烯腈(PAN)与添加剂氮化硼的质量配比,得到了不同氮化硼含量的纺丝液。然后18 kV静电压下进行静电纺丝2 h,得到BN/PAN杂化纳米纤维。通过X射线晶体衍射分析、红外光谱测试、扫描电镜观察、比表面积测试、热分析等手段对BN/PAN杂化纳米纤维进行了表征。发现氮化硼片能均匀分散在PAN中,结晶性降低,杂化纤维形貌呈现凸节结构。静高压纺丝的不稳定性,使纤维呈无序排列,甚至生成梭子珠状物。加入氮化硼后纤维热稳定性显著提高,导热系数剧增。同时,添加氮化硼能增加复合纤维的比表面积和总孔体积,比表面积增加2倍,孔体积增加3.2倍,在2~4 nm附近有集中的孔径分布。后续进行碳化可拓展其在吸附和光催化领域的应用前景。
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