氮化硼纳米管的制备及应用研究展望

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0031

摘要/Abstract

摘要： 氮化硼纳米管（BNNTs）是一类具有独特结构和性质的一维纳米材料，自1995年首次合成以来，因其优异的物理化学特性而引起了广泛关注。BNNTs的结构与碳纳米管（CNTs）类似，但是由硼和氮原子交替排列形成，这种结构赋予了BNNTs一系列独特的性质，如高化学稳定性、良好的耐热性、电绝缘性和高热导率等。BNNTs的合成在其性能研究和应用开发中占有重要的地位。此外，基于优异的物理化学性质，BNNTs在多个领域展现出独特的应用价值。本文系统梳理了近年来国内外关于氮化硼纳米管的研究进展，重点对电弧放电法、激光烧蚀法、球墨退火法、化学气相沉积（CVD）法及模板合成法等制备工艺进行了深入的解析，并同步探讨了该材料在中子屏蔽、生物医学、光学器件及导热材料等应用领域的最新研究进展。

关键词: 氮化硼; 纳米管; 一维材料; 中子屏蔽; 生物医学; 光学器件; 导热材料

Abstract: Boron nitride nanotubes （BNNTs） are a class of one-dimensional nanomaterials with unique structures and properties. Since their first synthesis in 1995， they have attracted widespread attention due to their excellent physical and chemical properties. The structure of BNNTs is similar to carbon nanotubes （CNTs）， but formed by alternating arrangement of boron and nitrogen atoms. This structure endows BNNTs with a series of unique properties， such as high chemical stability， good heat resistance， electrical insulation and high thermal conductivity. The synthesis of BNNTs plays an important role in their performance research and application development. In addition， based on its excellent physical and chemical properties， BNNTs have demonstrated unique application value in multiple fields. This article systematically reviews the research progress on BNNTs at home and abroad in recent years， with a focus on in-depth analysis of preparation processes such as arc discharge method， laser ablation method， ductile annealing method， chemical vapor deposition （CVD） method， and template synthesis method. It also explores the latest research progress of this material in applications such as neutron shielding， biomedical， optical devices， and thermal conductive materials.

Key words: boron nitride; nanotube; one-dimensional material; neutron shielding; biomedical; optical device; thermal conductive material

中图分类号:

TB383

何舜宇, 陈旭丹, 俞强, 闫长增. 氮化硼纳米管的制备及应用研究展望[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(8): 1388-1395.

HE Shunyu, CHEN Xudan, YU Qiang, YAN Changzeng. Prospects for the Preparation and Application of Boron Nitride Nanotubes[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(8): 1388-1395.

图/表 6

图1 电弧放电法制备BNNTs的形成机制示意图［9］

Fig.1 Schematic diagram of the formation mechanism of BNNTs prepared by arc discharge method［9］

图2 不同载气条件下合成BNNTs的HRTEM照片［10］

Fig.2 HRTEM images of BNNTs synthesized under different carrier gas［10］

图3 BNNTs在不同气体中退火的透射电子显微镜照片。（a）NH3：典型的直柱形，直径约为 7 nm；（b）N2：外径为20~120 nm的竹节状结构［14］

Fig.3 Transmission electron microscopy images of BNNTs annealed in different gases［14］. （a） NH3： a typical straight cylindrical shape with a diameter of 7 nm；（b） N2： bamboo-like structure （diameter of 20~120 nm）

图4 CVD法制备BNNTs的过程［20］。（a）合成装置的示意图；（b）经过处理后的反应腔室的俯视图，一个白色的羽毛状产物附着在腔室的内壁上；（c）产物的照片；（d）、（e）产物在更高倍数下的照片

Fig.4 Process of preparing BNNTs by CVD method［20］. （a） Schematic diagram of the synthetic apparatus；（b） top-view image of the reaction chamber after processing， a white feather-like product is attached to the inner wall of the chamber；（c） image of the product；（d），（e） images of the product under higher magnifications

图5 BNNTs形成过程的示意图［22］。（a）原始的碳化硅纳米线；（b）被含液态B-N-H聚合物包裹的碳化硅纳米线；（c）经碳化硅模板蚀刻后形成的最终氮化硼纳米管

Fig.5 Schematic illustration of the formation process of the BNNTs［22］. （a） Original SiC nanowire；（b） SiC nanowire beaded with liquid B-N-H containing polymer；（c） final BNNTs formed with SiC template etched out

图6 由琼脂糖/p-BNNTs水凝胶形成的各种形状［26］

Fig.6 Various shapes formed by agarose/p-BNNTs hydrogel［26］

参考文献 38

[1]	CHOPRA N G， LUYKEN R J， CHERREY K， et al. Boron nitride nanotubes［J］. Science， 1995， 269（5226）： 966-967. DOI PMID
[2]	RUBIO A， CORKILL J L， COHEN M L. Theory of graphitic boron nitride nanotubes［J］. Physical Review B， 1994， 49（7）： 5081-5084. PMID
[3]	LENIN TAMILKOVAN A， ARUMUGAM P. A current review on boron nitride nanotubes and their applications［J］. Advances in Natural Sciences： Nanoscience and Nanotechnology， 2024， 15（1）： 013002.
[4]	CHO H， KIM J H， HWANG J H， et al. Single- and double-walled boron nitride nanotubes： controlled synthesis and application for water purification［J］. Scientific Reports， 2020， 10（1）： 7416.
[5]	BAE D S， LEE K H， KIM M J. Growth methodologies of boron nitride nanotubes and their neutron shielding applications： a review［J］. Nanoscale， 2024， 16（8）： 3817-3837.
[6]	YEH Y W， RAITSES Y， KOEL B E， et al. Stable synthesis of few-layered boron nitride nanotubes by anodic arc discharge［J］. Scientific Reports， 2017， 7： 3075.
[7]	LOISEAU A， WILLAIME F， DEMONCY N， et al. Boron nitride nanotubes［J］. Carbon， 1998， 36（5/6）： 743-752.
[8]	TERAUCHI M， TANAKA M， MATSUMOTO T， et al. Electron energy-loss spectroscopy study of the electronic structure of boron nitride nanotubes［J］. Microscopy， 1998， 47（4）： 319-324.
[9]	NARITA I， OKU T. Synthesis of boron nitride nanotubes by using YB₆ powder［J］. Solid State Communications， 2002， 122（9）： 465-468.
[10]	YU D P， SUN X S， LEE C S， et al. Synthesis of boron nitride nanotubes by means of excimer laser ablation at high temperature［J］. Applied Physics Letters， 1998， 72（16）： 1966-1968.
[11]	SMITH M W， JORDAN K C， PARK C， et al. Very long single- and few-walled boron nitride nanotubes via the pressurized vapor/condenser method［J］. Nanotechnology， 2009， 20（50）： 505604.
[12]	BAE D S， KIM C， LEE H S， et al. Spontaneous formation of boron nitride nanotube fibers by boron impurity reduction in laser ablation of ammonia borane［J］. Nano Convergence， 2022， 9（1）： 20. DOI PMID
[13]	CHEN Y， FITZ GERALD J， WILLIAMS J S， et al. Synthesis of boron nitride nanotubes at low temperatures using reactive ball milling［J］. Chemical Physics Letters， 1999， 299（3/4）： 260-264.
[14]	YU J， LI B C P， ZOU J， et al. Influence of nitriding gases on the growth of boron nitride nanotubes［J］. Journal of Materials Science， 2007， 42（11）： 4025-4030.
[15]	KIM J， LEE S， UHM Y R， et al. Synthesis and growth of boron nitride nanotubes by a ball milling-annealing process［J］. Acta Materialia， 2011， 59（7）： 2807-2813.
[16]	PAKDEL A， ZHI C Y， BANDO Y， et al. A comprehensive analysis of the CVD growth of boron nitride nanotubes［J］. Nanotechnology， 2012， 23（21）： 215601.
[17]	MA R， BANDO Y， SATO T. CVD synthesis of boron nitride nanotubes without metal catalysts［J］. Chemical Physics Letters， 2001， 337（1/2/3）： 61-64.
[18]	MA R Z， BANDO Y， SATO T， et al. Thin boron nitride nanotubes with unusual large inner diameters［J］. Chemical Physics Letters， 2001， 350（5/6）： 434-440.
[19]	TANG C C， BANDO Y， SATO T， et al. A novel precursor for synthesis of pure boron nitride nanotubes［J］. Chemical Communications， 2002（12）： 1290-1291. PMID
[20]	HUANG Y， LIN J， TANG C C， et al. Bulk synthesis， growth mechanism and properties of highly pure ultrafine boron nitride nanotubes with diameters of sub-10 nm［J］. Nanotechnology， 2011， 22（14）： 145602.
[21]	ZHUANG C C， FENG J， XU H， et al. Synthesis of boron nitride nanotube films with a nanoparticle catalyst［J］. Chinese Chemical Letters， 2016， 27（6）： 871-874.
[22]	ZHONG B， SONG L， HUANG X X， et al. Synthesis of boron nitride nanotubes with SiC nanowire as template［J］. Materials Research Bulletin， 2011， 46（9）： 1521-1523.
[23]	SHELIMOV K B， MOSKOVITS M. Composite nanostructures based on template-grown boron nitride nanotubules［J］. Chemistry of Materials， 2000， 12（1）： 250-254.
[24]	KIM J H， PHAM T V， HWANG J H， et al. Boron nitride nanotubes： synthesis and applications［J］. Nano Convergence， 2018， 5（1）： 17.
[25]	KANG J H， SAUTI G， PARK C， et al. Multifunctional electroactive nanocomposites based on piezoelectric boron nitride nanotubes［J］. ACS Nano， 2015， 9（12）： 11942-11950. DOI PMID
[26]	JEON S W， KIM J， YOON Y J， et al. Form factor-free boron nitride nanotube-agarose composites for neutron shielding［J］. Nano Letters， 2024， 24（5）： 1522-1530.
[27]	DEGRAZIA F W， LEITUNE V C B， VISIOLI F， et al. Long-term stability of dental adhesive incorporated by boron nitride nanotubes［J］. Dental Materials， 2018， 34（3）： 427-433. DOI PMID
[28]	LAHIRI D， SINGH V， KESHRI A K， et al. Apatite formability of boron nitride nanotubes［J］. Nanotechnology， 2011， 22（20）： 205601.
[29]	BOHNS F R， DEGRAZIA F W， DE SOUZA BALBINOT G， et al. Boron nitride nanotubes as filler for resin-based dental sealants［J］. Scientific Reports， 2019， 9（1）： 7710. DOI PMID
[30]	SOARES D C F， FERREIRA T H， DE AGUIAR FERREIRA C， et al. Boron nitride nanotubes radiolabeled with ^99mTc： preparation， physicochemical characterization， biodistribution study， and scintigraphic imaging in Swiss mice［J］. International Journal of Pharmaceutics， 2012， 423（2）： 489-495.
[31]	LAHIRI D， ROUZAUD F， RICHARD T， et al. Boron nitride nanotube reinforced polylactide-polycaprolactone copolymer composite： mechanical properties and cytocompatibility with osteoblasts and macrophages in vitro［J］. Acta Biomaterialia， 2010， 6（9）： 3524-3533.
[32]	MA C J， MA C J， LIU C， et al. Strong chiroptical nonlinearity in coherently stacked boron nitride nanotubes［J］. Nature Nanotechnology， 2024， 19（9）： 1299-1305. DOI PMID
[33]	GUO X D， LI N， YANG X X， et al. Hyperbolic whispering-gallery phonon polaritons in boron nitride nanotubes［J］. Nature Nanotechnology， 2023， 18（5）： 529-534.
[34]	SAVIĆ I， STEWART D A， MINGO N. Thermal conduction mechanisms in boron nitride nanotubes： few-shell versus all-shell conduction［J］. Physical Review B， 2008， 78（23）： 235434.
[35]	SHEN H J. Thermal-conductivity and tensile-properties of BN， SiC and Ge nanotubes［J］. Computational Materials Science， 2009， 47（1）： 220-224.
[36]	GOLBERG D， BANDO Y， HUANG Y， et al. Boron nitride nanotubes and nanosheets［J］. ACS Nano， 2010， 4（6）： 2979-2993. DOI PMID
[37]	WANG L J， HAN D B， LUO J， et al. Highly efficient growth of boron nitride nanotubes and the thermal conductivity of their polymer composites［J］. The Journal of Physical Chemistry C， 2018， 122（3）： 1867-1873.
[38]	PIETRI T， WILEY B J， SIMONATO J P. Boron nitride nanotubes for heat dissipation in polycaprolactone composites［J］. ACS Applied Nano Materials， 2021， 4（5）： 4774-4780.