硼砂法制备多孔氮化硼及其在净水领域的应用

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高比表面积氮化硼具有独特的类石墨结构以及优异的物理、化学性质,在环境、能源等领域具有潜在应用价值。诸多制备方法中应用广泛的有硬模板法、高温热解法和元素置换法。硬模板法易于控制氮化硼孔结构,但通常制备过程较复杂,且去除模板可能带来环境污染;元素置换法优势在于可制备高结晶度的氮化硼,但反应温度高于其他制备方法,存在能耗较高的劣势;高温热解法可分为有机硼源和无机硼源两类,有机硼源作为前驱体可制备出高质量的氮化硼,但通常前驱体价格昂贵,且易燃易爆;无机硼源作为前驱体具有价格低廉、易于制备高比表面积产物的优势,但目前已报道的工作中大多仍使用氨气作为保护气氛,带来昂贵的尾气处理设备成本。本文采用四硼酸钠(Na2B4O7·10H2O,硼砂)作为无机硼源前驱体、氮气替代氨气作为保护气氛开发了一种绿色、经济的多孔氮化硼制备方法;随后基于实验制备的多孔氮化硼材料研究其在净水领域的应用;最后,通过简易的压片法处理前驱体,制备出块体多孔氮化硼材料,并应用于吸附有机溶剂和油/水分离。论文主要内容如下:(1)将硼砂和三聚氰胺混合形成的前驱体进行高温热解反应制备出多孔氮化硼。对系列样品进行扫描电子显微镜分析和氮气吸附-脱附分析对比,当硼砂和三聚氰胺以硼/氮元素比例为1:16混合,并在1000℃下高温热解反应100 min时制备时,样品(BN-T-1000℃)呈现氮化硼片层卷曲堆叠形成无序空腔结构,且在系列样品中展示出最高的比表面积(484.53 m~2 g-1)和孔容积(0.46 cm~3 g-1),更适宜应用于吸附净水领域。(2)设计了 BN-T-1000℃样品对有机染料亚甲基蓝和刚果红溶液的系列吸附实验,并对实验数据进行朗缪尔等温吸附模型拟合,得知样品对亚甲基蓝的最大吸附量可以达到约170 mg g-1(R2>0.99),其性能与已报道的氮化硼材料相比无显著优势,而样品对刚果红的最大吸附量高达1096mgg-1(R2>0.99),优于大部分已报道的氮化硼材料对刚果红的吸附性能。同时,样品在空气气氛中经过高温处理可以实现循环利用,且在经过5圈循环测试后仍能保持90%以上的初始吸附能力,展示出优异的循环稳定性。(3)通过采用简易的压片法处理前驱体,制备出块体前驱体并进行高温热解反应,得到块体多孔氮化硼材料,其扫描电子显微镜显示样品具有微米尺度的三维结构。样品对多种有机溶剂展示出良好的吸附能力,且在经过5圈吸附循环测试后仍保持约90%的初始吸附能力(以泵油为例)。块体多孔氮化硼具有优异的油/水分离效率,对等体积的二氯甲烷(油相)和水的混合物可以分离出约90%的二氯甲烷,且循环5圈后分离效率未明显下滑。
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