全文概要

大连理工大学陆安慧研究团队通过系统的实验与理论模拟，揭示了传统上被认为化学惰性的六方氮化硼（h-BN）在温和条件下可与水及低碳烷烃（CH₄、C₂H₆）发生显著化学反应。研究发现，水分子可在BN边缘位点发生解离并插入B–N键，形成N–H和B–OH基团，最终释放NH₄⁺和B(OH)₄⁻离子。该反应在氧掺杂的BN边缘显著增强，且理论模拟表明其由H₂O的H(1s)轨道与BN的B(2p)/N(2p)轨道间的强相互作用驱动。此外，研究还发现BN可在水相中、无外加氧化剂条件下，将CH₄和C₂H₆氧化为CO及微量CH₃OH，¹⁸O同位素示踪证实氧源自BN基质而非水。反应释放的NH₄⁺和B(OH)₄⁻进一步促进CO水合生成甲酸盐。该研究挑战了h-BN在温和条件下“化学惰性”的传统认知。

本文要点

1. 与水的反应性：BN在常温常压下即可与水反应生成NH₄⁺和硼氧物种；缺陷丰富或氧掺杂的BN（如球磨mBN）反应活性更高；升温促进反应，加压则抑制。

2. 与烷烃的氧化能力：BN可在90℃水相中将CH₄和C₂H₆氧化为CO和微量CH₃OH，无需外加氧化剂；反应为表面介导的化学计量过程，依赖于BN中的晶格氧。

3. 机理揭示：结合原位DRIFTS、XPS、EPR及DFT计算，证实H₂O在B–N边缘解离并插入，形成N–H与B–OH中间体；O–B–N边缘的反应能垒低于N–B–N边缘。

4. 应用启示：该反应性为BN在低碳烷烃转化、催化及质子传输等领域的应用提供了新视角。

文献详情

Jie Fan, Wen-Cui Li, Yifan Zhang, et al. Revealing an Unexpected Chemical Reactivity of Boron Nitride to H₂O and Alkane Molecules, J. Am. Chem. Soc. (2025) DOI: 10.1021/jacs.5c14440

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c14440