一種可按需制備用于熱管理的氮化硼納米片

背景介紹

由六方氮化硼(h-BN)制備的氮化硼納米片(BNNSs)由于其優異的性能，包括大的徑厚比(高達1500)，超高的導熱系數(高達751 W/mK)，高溫穩定性，以及令人印象深刻的性能而引起了人們的極大興趣力學性能。此外，它們還具有優異的電絕緣性，由于這些有利的特性，基于BNNs的納米復合材料在熱管理應用中顯示出相當大的前景。

在BNNSs的生產方面已經付出了相當大的努力，特別是在實現大規模和高效的合成方法方面。其中一種方法是超聲輔助液相剝離，這是獲得無缺陷高質量BNNSs的一種簡單可行的方法。然而，這種技術通常存在產率低(<20%)和橫向尺寸可控性有限的問題，其效率嚴重依賴于h-BN塊體的性質。相比之下，球磨法的成品率較高(>80%)；然而，它需要添加大量的化學添加劑，如尿素、糖或氫氧化鈉，導致不可避免的BNNSs功能化。此外，長時間的高能撞擊導致BNNSs具有較小的橫向尺寸(只有幾百納米)或缺陷。

微流化方法已被證明對石墨烯和BNNSs等二維材料的剝離是有效的，因為它利用了高速流體流動產生的剪切效應。與其他機械剝離方法相比，這種各向異性方法的一個優點是它能夠均勻地施加高強度剪切力作用于整個流體體積，使大型BNNSs能夠成功剝離。盡管具有這一優勢，但由于效率和橫向尺寸之間的權衡，利用微流化方法從大塊h-BN中高效和按需制備BNNSs仍然是一個挑戰。

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成果掠影

近日，上海交通大學黃興溢團隊開發了一種OdP方法來實現高效、大規模、尺寸可控的BNNSs制備。本文提出了一種高壓均質與短時間超聲相結合的按需制備（OdP）方法;它使六方氮化硼(h-BN)高效可控地制備BNNSs成為可能。調整均勻化壓力和循環次數，BNNSs的生產效率和產率分別達到0.95 g/gh和82.8%，顯著高于現有方法。OdP方法的通用性在不同生產商的不同體積尺寸的氫氮化硼原料上得到了證明。此外，該方法允許根據最終要求制備具有特定尺寸的BNNSs。模擬和實驗結果表明，大尺寸的BNNSs特別適合于提高介電聚合物納米復合材料的導熱性和電絕緣性能。有趣的是，通過OdP方法制備的小的bnns填充光子納米復合膜具有優越的日間輻射冷卻性能。此外，OdP方法還具有低能耗、減少溫室氣體排放和化石能源使用的優點。這些發現強調了OdP方法在高效可控制備大型BNNSs方面的獨特優勢。研究成果以“On-Demand Preparation of Boron Nitride Nanosheets for Functional Nanocomposites”為題發表在《Small Methods》。

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圖文導讀

圖2.利用OdP得到了a)在40次循環下不同均質壓力下，b)在180 MPa下不同循環次數下，c)在75 MPa下不同循環次數下，BNNSs的產率和橫向尺寸。d、e) 180 MPa/20次循環和g、h) 75 MPa/15次循環下，脫落的BNNSs的SEM圖像及其橫向尺寸分布直方圖。f) OdP方法與其他已報道的剝離方法的生產率和生產效率的比較。i)與其他已報道的剝落方法相比，OdP方法的BNNSs橫向大小和生產效率。

圖3.  a) BN003(原始h-BN)和b,c) BN003在不同均質條件下剝離的BNNSs的SEM圖像。d) BN012(原始h-BN)和e,f) BN012在不同均質條件下剝離的BNNSs的SEM圖像。g)產率和h)不同均質條件下BN003、BN012和BN-HSL剝離的BNNSs的橫向大小。

圖4. 透射電子顯微鏡(TEM)圖像a)、原子力顯微鏡(AFM)圖像b)和BNNS-S的厚度分布直方圖c)。BNNS-L的TEM圖像d)、AFM圖像e)和厚度分布直方圖f)。塊體h-BN、EBN和BNNSs的傅里葉變換紅外光譜g)和x射線衍射圖。(h) BNNSs的x射線光電子能譜。

圖5.模擬了不同橫向尺寸的BNNSs納米復合紙的a)溫度和b)熱流密度分布。BNNSs沿一個方向排列。c) BNNS-L-50紙張的光學照片和d)折疊紙張制成的“帆船”。e,f) BNNS-L-50論文截面的SEM圖像。g) BNNS-S/PBO紙與BNNS-L/PBO紙的面內導熱系數比較。h) BNNS-L-50紙及其他氮化硼基復合材料的極限強度和面內導熱系數。i) BNNS-L-50和BNNS-S-50在不同溫度下的擊穿強度。

圖6.a) BNNS-S和BNNS-L納米復合膜的太陽光譜反射率(左)和中紅外光譜發射率(右)。b)測試裝置的原理圖(上)和光學照片(下)，用于演示兩種納米復合薄膜的日間輻射冷卻能力。c) BNNS-S和BNNS-L納米復合膜在一天內的溫度。d)白天BNNS-S納米復合膜相對于BNNS-L納米復合膜的溫度變化。