朱 婷，王殿艳

工业化、信息化的发展离不开材料的改变，材料是研究现有技术以及进行未来技术突破的重要环节，是人类社会文明的体现.纳米材料是现代材料中的一种，纳米材料从被发现以来就展示了其独特的光、电子等性能，成为材料研究的重点.当工业生产中对材料制造的要求越来越严格，研制高性能的材料刻不容缓.工业材料在不断的生产反应过程中给环境造成巨大压力.气体原材料以及在工业生产过程中产生的各种气体含有大量无法控制的有毒成分，也带来极高的燃烧威胁，使工业生产变得非常危险.学界在研究碳类材料的同时，发现了具有类似结构的纳米材料，氮化硼就是其中一种，作为一种复合物，相对于其他双原子复合物来说更近似于碳类型材料，对其进行研究具有更大的潜在应用价值.

1 六方氮化硼与纳米复合材料研究基础

1.1 六方氮化硼简述

六方氮化硼（h-BN）是一种低维材料，与层状的石墨具有相似结构.①h-BN 具有优越的绝缘性、安全无毒性以及良好的导热性，在此基础上研制的氮化硼材料成为一种优秀的绝缘电材料以及导热材料，应用广泛.②h-BN 在富含氧气的环境下也可以耐受900 ℃左右的高温，具有良好的高温应用性.同时，其膨胀系数也相对较低，在高温环境下应用可以实现较高水平的目标完成度，具有良好的稳定性保障.③作为一种物理化学材料，良好的稳定性在于与不同无机类型的酸、碱或者氧化剂类进行化学反应，h-BN 具有一定稳定性.氮化硼的无毒以及极易导热的良好性能可以在工业生产中得到较高的应用.发达国家早在20 世纪80年代就不断深入宽带隙半导体器件的研究，并且取得相应的成就，宽带隙半导体被应用在高度保密通信技术等国防以及航空等领域，因此，h-BN 作为一种宽带隙半导体也具有较广阔的应用前景.同时，氮化硼与氧化物进行反应后具有更有利于导电的性质，在气体检测方面可以达到更好的效用.

1.2 纳米复合材料的研究背景

随着现代科技对微观世界更为全面的观察与研究，纳米材料始终是研究最广泛的材料之一.作为现代技术的代表，纳米复合材料应用于能源存储方式以及医学等多个领域，利用纳米复合材料制作半导体再通过合理的催化方式可以进行相应的太阳能源的应用，在现实生活中普遍应用的新能源汽车以及新能源制造等行业都利用纳米技术进行材料方面的更新，以期进行更为长效的能源利用与转化.之前使用的半导体材料兼具较高的光催化性能，因此被选择从事半导体的研制与应用，不断探索更加高效以及低成本的材料是现在乃至未来都需要不断探求的问题.

1.3 六方氮化硼的研究背景

h-BN 在低维材料中对纳米复合材料进行特性的改性有着出色的表现，导电材料或者贵金属等材料的催化氧化以及吸附能力都在h-BN 的帮助下具有明显的提高［1］.与碳结构相似的氮化硼可以通过纳米技术形成不同的状态：管状、片状、球状等.表1 的对比显示，h-BN 纳米材料在强度方面同碳一样，具有更高的稳定性.在高温环境下具有更稳定的状态，具有良好的温度容纳度.因此，这种类型的纳米复合材料在更加严苛的温度下或者更复杂的环境中可能会产生更多的应用.

表1 h-BN 与碳结构物质的性能比较

2 低维六方氮化硼与Ag 的纳米复合材料催化性能研究

2.1 纳米片层六方氮化硼（h-BN）与Ag 的催化性能的改变

硝基酚是一种具有较高毒性的化合物，极易给人体造成伤害，虽然通过吸收可以再次从尿液中排出，但硝基苯酚因为在人体中产生的螯合物具有苯环结构，所以仍然具有较高的毒性以及污染.在此之前，Ag 等贵金属的催化剂对硝基苯酚的作用就是研究较多的方面，因为在现实环境中如果存在硝基苯酚，即使含量浓度不高，经过长时间的接触也会产生生理呕吐、过敏、中毒等危害.如果将贵金属应用在硝基苯酚催化处理过程中，较高的成本费用势必会令工厂望而却步，在非金属纳米复合材料的参与下进行相应的催化可以为环境污水治理降低成本.一般对硝基苯酚的处理降解会使用催化、生物以及声波方式.通过贵金属Ag 进行催化氧化可以有效降解，减少硝基苯酚对现实环境的污染.一方面，Ag 具有较高的表面活性，在催化方面可以产生良好的效果.另一方面，为了使纳米Ag粒子达到较好的活性，可以通过改变其形状外观等进行改性［2］，需要根据实验所需提前将纳米Ag 粒子控制在合适的尺寸与形态上，即具有分散的粒子的连续性以及良好的结晶性质.

通过液相还原法利用低维材料h-BN 将Ag 还原到粉末状态，在经过Ag 的复合或者配合物还原沉积后，再将其铺嵌在纳米片层上，这样可以更好地展现Ag 粒子的不同性能.新的六方h-BN 与Ag 复合物，在通过结构以及形状的改变比较不同Ag 含量下的纳米复合材料催化效果.h-BN 再结晶后类似层状石墨烯，也被称为白色石墨烯，其外观是硼原子与氮原子相互交叉排列，在平面方向可以延伸六个方格，既具有绝缘性又可以导热，并且非常稳定又安全无毒.由于在较低维上呈现出层状结构，所以可以改变原有纳米粒子成团聚集的状况.研究发现，在六方h-BN 片状上负载的纳米粒子能够更有效地提高等离子基元活性，晶体结构会随着基元活性的提升而产生还原效果，得到的负载纳米Ag 粒子的化合物在催化还原硝基苯酚时的效率就得到显著提升.

2.2 催化性能实验结果分析

在高温环境下，还原法将Ag 粒子从其盐溶液中还原，并通过纳米Ag 粒子负载六方h-BN 片层，并注意Ag 粒子铺平的均匀程度以及含量进行比对.在加入过程中纳米Ag 粒子极易析出，与原有低维层片状态不同，产生成团聚集的状况并影响催化效果.在实验中进行对比实验，通过六方h-BN 含量不变以及Ag含量不断变化进行催化状况的研究.

将NaBH4加 入 到4-NP 溶 液 中，h-BN 为 白色粉状，采用制备的h-BN/Ag 纳米复合材料进行催化氧化还原硝基苯酚.观察UV-vis 光谱可以发现，当加入NaBH4后溶液的颜色从开始的淡黄色立即转变为深黄色，同时显示出4-NP 在317 nm 的特征峰偏移到400 nm，当到达峰值后便开始降低，以此计算反应效率，即催化效率.当深黄色溶液在加入催化成分溶剂后可以看到光谱变化，同时溶液变成透明，如图1，与之前淡黄或者深黄溶液有所不同，以此确定硝基苯酚的处理降解状况.光谱上显示，300 nm 处新出现的峰值对应于催化吸收，整个过程用时30 s，即催化时间以及变成透明色时间是30 s，展示了纳米复合材料进行催化时的高效性.

图1 UV-vis 光谱

同时，针对纳米Ag 粒子复合物催化的实验，也进一步展示了纳米复合材料的性能与降解还原处理硝基苯酚的关联.设置催化剂含量为4 mg 与6 mg，控制h-BN/Ag-5%催化还原时间在1 min 以内，继续提高催化剂含量，结果显示，在h-BN/Ag-1.5%时催化活性最高，并且催化还原时间减少到半分钟以内.在Ag定量实验中，催化剂含量不同导致产生的影响不同.设定Ag 的含量为1.5%，最佳的催化性能激发需要6 mg 的催化剂.如果提高Ag 的含量在3%以及5%时则需要4 mg 的催化剂，同样可以达到最高的催化效能，但需将时间增加到一分钟才能催化还原完毕.不同的实验对比结果显示，降解硝基苯酚的催化过程在不同的材料与不同质量的Ag 有关联，也与不同质量的催化剂有关联，催化还原时间根据其含量也有所变化.在不断的循环催化降解过程中，硝基苯酚降解的时间并不相同，当时间达到10 min 时，考量纳米复合材料在实验过程中产生的损耗，也可以得出催化效率依旧可以达到较高水平.由此制备的纳米复合材料具有较高的稳定性，六方h-BN 也促进了贵金属Ag 的纳米粒子在催化过程中的效率与稳定性的提升.

3 六方氮化硼h-BN片/二氧化钛TiO2/Ag多复合材料性能研究

3.1 多复合材料催化性能观察与研究

随着绿色理念的深入，在进行化学实验以及工业生产中也都逐渐趋向于绿色环保.在现代工业生产中需要对排放废水废气进行相应的处理与转化，才能达到相应的绿色标准，也有利于环境的可持续发展.但在现实情况下，有大量的工厂与企业并非严格进行绿色生产，而是将没有进行严格处理的废水废气随意排放.以废水为例，含有大量有机物的废水排放到城市水渠中，进入河流湖泊，最后流入海洋，成为水循环的一部分，利用催化方式还原处理高污染具有较为广阔的应用范围与前景.

多 复 合 纳 米 材 料h-BN/TiO2/Ag［3］性 能 在催化降解亚甲基蓝溶液时得到体现，该实验在紫外光环境下进行.由于TiO2本身具有良好的催化性，再加上纳米Ag 粒子本身也具有较好的催化效率，在光催化作用下进行化合物催化实验具有良好效果.在半导体类型的催化实验中Ag 的化合物，在普通光源环境下具有高效催化的性能，其原理是化合物金属表面区域的自由电子与光子展现相互电磁振荡效应，催化剂便具有良好的催化性能，并且在光敏感性能上呈现出较高的稳定性.在多元状态下，贵金属本身具有良好的催化性能，充当电子反应区域，该区域的电子因为多元复合物的载流子可以运载以促进迅速反应.由于这些电子始终聚集在贵金属表面，TiO2纳米粒子表面呈现的空白区域增加，从而催化活性也因这些空穴区域的增长而增加［4］.在考虑到现实工厂对于污染物处理的成本问题，重金属中的Ag 是最为适合与之合成多元纳米复合物的元素.Ag 价格较低，本身毒性较小，在抑制细菌的效用上也具有良好的控制作用，所以，Ag/TiO2复合催化剂成为成本最低的复合材料催化剂，并且在处理污染物的同时还附带有额外的杀菌、灭菌效用，适合水质处理.

3.2 催化性能实验结果分析

实验需取用10 mg/L 的亚甲基蓝溶液进行相关催化，光催化剂需要1 mg/mL，溶液在经过无光环境下的反应，得到相应数据，如图2所示.在UV 灯下该溶液并不能开始高效能地降解，而是存在半小时的降解停滞.随着时间的延长，直至一个半小时后溶液的降解也并未达到100%，而只有60%左右，由此推断出纳米Ag 粒子含量与TiO2纳米粒子应该形成的结构有所不同，这种差异应当是影响催化效能的原因.为此，在硝基苯酚催化实验基础上进行相应改动，除了进行贵金属纳米粒子与TiO2纳米粒子形成的异质结构复合材料的制备之外，还将低维纳米材料六方h-BN 进行纳米层片处理，以便多元纳米复合物实验的进行［5-10］.增加的六方h-BN 纳米材料可以有效地改善催化实验中粒子成团聚集的状况，可以更均匀分散，提高反应活性.六方h-BN 纳米片层的加入使得多元复合纳米材料的形成具有更好的光电特性，促进光催化效能，在新能源开发与利用中产生相应的启示.

图2 反应过程的UV 图

4 结论

六方h-BN 由于其本身的特殊孔洞结构，具有单位质量内所具有的总面积较高的特性，并且可调整尺寸，易于应用，在化学性能方面更具有良好的绝缘、高热导率的性能，更适合在催化反应中使用.比表面积高、孔洞多可以使污染物多吸附在其表面之上，更利于分子的催化效率.六方h-BN 材料与其相似的碳材料对比，具有更高的稳定性，与之相符合的其他纳米粒子并不会有所改变，而是呈现其原有性能并进行催化反应活动.同时，六方h-BN 可以在更为恶劣的环境下负载重金属纳米复合物，在现实环境中，污染物常常处于高温富氧或者高腐蚀性的条件下，负载纳米复合物的六方h-BN 可以在这种条件下仍然保持稳定性，这对于现实污染物的处理具有较大优势.h-BN/TiO2/Ag 纳米复合材料比其他Ag/TiO2复合材料更具有吸附分子的效能，也更具有高催化性能.若将实验中制备的多元复合纳米材料进行应用仍需改进，实验中获得的数据还需要在现实污染物处理过程中进行相应的调整与实验，从而达到最佳效用.