Adv Mater:Turbostratic Boron-Carbon-Nitrogen and Boron Nitride by Flash Joule Heating.pdf

一、亮点/创新点

本文献的亮点/创新点在于使用闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）方法实现了含硼-碳-氮（BCN）三元化合物的高效合成。这种方法能够在极短的时间内（小于1秒）通过超快速冷却过程（速率为10^3到10^4 K/s）生成具有紊乱层状结构的材料。理论计算支持了这种紊乱层状结构的存在，并预测了与其对应的能量障碍，从而有助于理解材料的稳定性。此外，该技术还实现了对碳含量的精确控制，从而调整了材料的电子结构和表面特性。研究还展示了这种新材料在提高防腐蚀性能和机械性能方面的潜力，为二维材料的合成和应用提供了新的策略。

二、研究背景

本篇文献的研究背景主要包括以下几点：

（1）硼氮基结构的形成过程：先前的热解脱氢分析报告指出，从BH3和NH3前驱体形成BN基结构需要经历三个热分解步骤，并且整个反应是高度放热的（-171 kJ mol^-1），即使最后一个步骤（NHBH固体到BN固体的脱氢）具有较高的动力学障碍，并且通常需要更高的温度（1200-1400 K）。

（2）与其他自底向上方法的比较：与化学气相沉积（CVD）和水热方法等其他自底向上合成方法相比，这些方法通常涉及更慢的冷却速率（<10 K s^-1），导致形成良好排列的堆叠形态。相反，闪蒸焦耳加热（FJH）方法具有100-1000倍更快的冷却速率，能够生成紊乱层状结构的BCN材料（t-BCN）。

（3）模拟分析：利用有限元方法（FEM）进行的模拟表明，样品内部达到的温度足以推动第三步分解反应，因为均匀能量输入的时间尺度相对于热扩散的时间尺度来说非常短。

三、研究方法

本篇文献采用的研究方法可以总结为以下几个关键步骤：

（1）闪蒸焦耳加热（FJH）系统的建立和使用：研究中使用了闪蒸焦耳加热方法合成硼碳氮（BCN）材料。该方法涉及向含有BH3和NH3前驱体的混合物施加高电压，从而在极短的时间内（<1秒）实现快速加热和冷却，生成具有紊乱层状结构的BCN材料。

（2）闪蒸参数的优化：通过调整反应体系中的闪蒸参数（如放电电压、放电时间、样品质量、样品电阻、闪蒸重复次数、总电容和腔室压力），实现了对生成材料结构和成分的精确控制。

（3）材料的表征：使用了多种高级表征技术，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱、X射线衍射（XRD）、比表面积测量（BET）、紫外-可见吸收光谱、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）等，以分析反应产物的振动和旋转模式、晶体结构、表面性质和元素组成。

（4）机械剥离法的应用：研究中还采用了不同的机械剥离方法，包括使用清晰胶带、单向剪切力和超声浴剥离，以进一步研究和利用所合成材料的层状结构。

（5）分散性测试和力学性能评估：通过将f-BN添加到水性Pluronic溶液中，并通过浴式超声来评估其在水中的分散性。此外，采用纳米压痕技术评估了材料的力学性能，包括压痕模量和硬度的计算。

（6）理论计算与模拟：使用努力弹性带（NEB）模拟和有限元模拟（FEM）等计算方法，研究材料的热力学稳定性和反应过程中的温度分布，进一步验证实验结果并深入理解材料形成的机理。

这些方法的综合应用不仅成功合成了具有紊乱层状结构的BCN材料，而且还提供了深入的物理化学理解和材料性能评估，为二维材料的合成和应用开辟了新的途径。

四、研究结果和主要结论

本篇文献的研究结果和主要结论包括：

（1）化学组成和结构特征：通过超快速且无溶剂的闪蒸焦耳加热（FJH）方法，可以在不到1秒的时间内合成具有不同化学组成和紊乱层状（turbostratic）特性的硼-碳-氮（f-BCN）材料。碳的原子百分比可以从约0%控制到约100%，通过光谱分析显示价带最大值（VBM）相应调整。在碳含量较低的情况下，f-BN与t-BN在光谱特征上非常接近。

（2）理论计算支持：理论计算支持了紊乱层状结构的存在，并且计算出了阻碍转变为良好排列对应物的能量障碍。获得的f-BCN层具有无序定向，易于剥离。

（3）稳定性和分散性：与商业化的h-BN纳米片相比，f-BCN样品展现出在水溶液中的稳定分散性。此外，将f-BCN作为屏障填料加入到PVA纳米复合材料中，显示出更好的相容性，并提供了更高的防腐蚀保护效率。

（4）难以通过常规方法复制的结构：f-BCN的紊乱层状形态难以通过如化学气相沉积（CVD）和水热法等常见的自底向上方法复制，这些方法的冷却速率比FJH方法低100-1000倍。FJH方法提供了一种合成大量紊乱层状材料的高产率过程。由于FJH过程正在被工业化放大到每天数吨的水平，使用相同或类似的设备，获取大量f-BCN将成为可能。

五、后续研究改进

基于对本文献内容的理解，后续研究改进可能包括：

（1）材料性能的深入研究：虽然已展示了通过闪蒸焦耳加热法合成的硼碳氮材料具有特殊的紊乱层状结构和潜在的应用前景，但对这些新合成材料的物理、化学和电子性能的全面评估还需进一步研究。

（2）合成方法的优化：探索不同的合成条件（如电流强度、加热持续时间和前驱体浓度）对材料结构和性能的影响，以优化合成过程，提高产率和材料质量。

（3）应用领域的扩展：当前研究可能集中在特定的应用，如提高防腐蚀性能和机械性能。后续研究可以探索这些材料在电子、能源存储和转换设备、催化剂等其他领域的应用潜力。

（4）环境影响和可持续性评估：考虑到新材料的合成和应用，评估其生命周期中的环境影响和可持续性是后续研究的重要方向。

（5）理论与实验的结合：进一步结合理论计算和实验研究，以深入理解材料的结构-性能关系，为设计和合成具有特定性能的新材料提供指导。

这些建议基于对文档内容的概括理解，具体的后续研究方向应结合实验结果、技术发展和应用需求来确定。