综述：多维度氮化硼纳米材料：合成、性能调控及多学科应用的综合评述

本综述系统梳理了氮化硼（BN）纳米材料从零维（0D）量子点到三维（3D）宏观结构的合成策略、性能调控（如缺陷工程、掺杂、表面功能化）及其在分析化学、生物医学、催化、能源、航空航天等领域的广泛应用，强调了其宽禁带（~5–6 eV）、高导热、电绝缘及化学惰性等特性，为功能纳米材料的设计与应用提供了重要指导。

氮化硼（BN）纳米材料作为碳基纳米材料的功能类似物，因其宽禁带、高导热性、电绝缘性和化学惰性等独特性质，在多个前沿技术领域展现出巨大潜力。本文将从其多维结构合成、性能调控策略及跨学科应用等方面进行系统阐述。

BN纳米材料的合成

BN纳米材料的制备主要分为自上而下和自下而上两种策略。自上而下法，如机械剥离、球磨和液相剥离，通过物理或化学作用将块体BN减薄至纳米尺度。例如，在N-甲基-2-吡咯烷酮等表面能匹配的溶剂中进行球磨，可高效制备出缺陷少、层数少的BN纳米片（BNNSs）。自下而上法，包括化学气相沉积（CVD）、溶剂热法和等离子体处理，则通过原子或分子的可控组装构建BN纳米结构。CVD技术在单晶Ni(111)衬底上可制备出晶圆级、单晶畴的h-BN薄膜，其优异的结晶质量和均匀性使其成为二维电子器件的理想介电层。

对于零维BN量子点（BNQDs），常采用溶剂热法或液相剥离结合超声破碎的方法制备。以硼酸和尿素为前驱体，通过水热反应可合成出蓝色荧光的BNQDs，其表面氧终止基团赋予了良好的水分散性。一维BN纳米管（BNNTs）的合成则涉及电弧放电、激光烧蚀和催化CVD法。研究表明，使用氨硼烷作为等离子体前驱体，通过优化等离子体功率和进料速率，可获得高结晶度的双壁BNNTs。二维BNNSs的规模化制备可通过模板法（如NaCl模板）实现，该方法一次可克级制备出水分散性良好的羟基化BNNSs（OH-BNNSs）。宏观BN纤维结构则可通过静电纺丝结合氨解转化聚合物前驱体来获得，这些纤维兼具轻质、绝缘和热稳定性。

性能调控策略

BN纳米材料的性能高度依赖于其表面化学和缺陷结构。缺陷工程（如B或N空位）和掺杂（如S、F掺杂）可有效调节其光学和电子特性。例如，对BNQDs进行表面胺化处理，可引入-NH₂基团，显著提高其光致发光量子产率，并实现从蓝到黄绿光的全色发射。表面功能化，如采用单宁酸（TA）对BNNTs进行非共价修饰，可显著改善其在聚合物基体中的分散性，进而提升复合材料的力学性能（如环氧树脂复合材料的拉伸强度提高26.8%）。

分析化学应用

在分析化学领域，BN纳米材料被广泛用于构建高灵敏度的传感平台。BNQDs可作为电化学发光（ECL）传感器的共反应剂，显著增强Ru(bpy)₃²⁺等发光体的信号。例如，基于BNQDs的ECL传感器对康卡霉素A的检测限低至纳摩尔水平。在荧光光谱中，BNNSs能有效猝灭染料标记的单链DNA探针，而当靶标分子（如microRNA）与探针杂交形成刚性双链后，探针从BNNSs表面解吸附，导致荧光恢复，从而实现高选择性检测。此外，多孔BN材料因其高比表面积和强吸附能力，在固相萃取（SPE）和水处理（如染料、重金属离子去除）中表现出色。BNNTs作为色谱固定相涂层，能通过疏水和π-π相互作用提高HPLC对酚类衍生物和烷基苯的分离效率。

生物医学应用

BN纳米材料的低细胞毒性和良好的生物相容性使其在生物医学领域极具前景。功能化的BN纳米球可作为药物递送载体，例如，叶酸（FA）修饰的BN纳米球能靶向癌细胞，提高化疗药物的递送效率。BN纳米结构在癌症治疗中也发挥作用，如掺钐BNNTs（Sm-BNNTs）经反应堆活化后产生¹⁵²Sm放射性同位素，显示出治疗潜力。在组织工程中，将压电性BNNTs和BaTiO₃掺入聚(ε-己内酯)中，可模拟骨组织的压电效应，促进成骨相关活性。BN基复合材料还表现出抗菌活性，如聚羟基乙基甲基丙烯酸酯（pHEMA）/BNNS复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抑制作用。

材料科学及航空航天应用

BN纳米材料的高热导率和电绝缘性使其成为理想的热管理材料。将BNNSs填充到聚合物（如环氧树脂、聚二甲基硅氧烷）中，可显著提高复合材料的热导率。例如，BNNSs/乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）共聚物薄膜在50 wt%填料量下，面内热导率可达13.2 W m^-1K^-1。在航空航天领域，BN纳米颗粒（BNNPs）增强的聚合物复合材料不仅重量轻，还具备优异的辐射屏蔽性能，尤其是对中子的屏蔽（得益于¹⁰B的高中子俘获截面）。多层聚乙烯/h-BN复合材料通过有序叠层结构，进一步提升了中子衰减效率。

催化应用

BN材料本身可作为无金属催化剂，或作为催化剂载体。其边缘的B-OH路易斯酸位点和相邻的B-N酸碱对，在烷烃氧化脱氢（如丙烷制丙烯）等反应中表现出高活性。将h-BN与金属催化剂（如Ru）结合，可利用BN的化学惰性和热稳定性，在苛刻反应条件下（如哈伯-博世工艺的高温高压环境）保持催化剂活性。例如，Ba–Ru/BN催化剂在氨合成中表现出优于碳载钌催化剂的稳定性。

总结与展望

BN纳米材料凭借其可调的结构和多样的功能化策略，已成为连接基础纳米科学与实际应用的重要桥梁。未来的发展将依赖于可控制备、标准化表征、深入理解构效关系以及面向特定应用的定制化设计。结合数据驱动的方法和原位表征技术，有望在传感、能源、生物医药和先进制造等领域实现更广泛的技术突破。