سنتز نیترید‌بور دوپ شده با کربن و اکسیژن با سطح ویژه بالا به‌منظور به‌کارگیری در ذخیره فیزیکی گاز هیدروژن

مطالعات نشان‌دهنده افزایش انرژی جذب فیزیکی مولکول‌های هیدروژن در اثر تغییر شیمی نیتریدبور به‌وسیله دوپ کردن جانشینی اتم‌های کربن و اکسیژن است. از آنجا که جذب فیزیکی گاز مستقیماً تحت تاثیر ریزساختار ماده است، توسعه روش سنتزی که ضمن کنترل بر ریزساختار و سطح ویژه نیترید‌بور، اتم‌های کربن و اکسیژن را وارد ساختار کند، دارای اهمیت است. درحالی‌که دمای سنتز یکی از مهم‌ترین عوامل کنترل بلورینگی، درصد تخلخل و سطح ویژه ماده است، پژوهش‌ها نشان داده‌اند که افزایش دما منجر به خارج شدن دوپه کربن از ساختار نیترید‌بور می‌شود. در این پژوهش، برای اولین بار دوپ کردن عناصر کربن و اکسیژن در نیترید‌بور با تغییر اتمسفر کوره از نیتروژن خالص به اتمسفر مخلوط نیتروژن و هیدروژن انجام و بررسی شده است.  به این منظور، پیش ماده سنتز نیترید‌بور با استفاده از کربنات گوانیدین و اسید بوریک با انحلال هم‌زمان در آب و رسوب‎دهی آماده‌سازی شد. این پیش‌ماده تحت اتمسفر مخلوط گازی نیتروژن و هیدروژن (95% n2/5%h2) در دماهای 1000 و c° 1500 به‌مدت h 3 تحت عملیات حرارتی  قرار گرفت. بررسی فازی به‌کمک آنالیز پراش پرتو ایکس (xrd)، بررسی ریزساختاری با کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی گسل میدانی (fesem) و اندازه‌گیری سطح ویژه با کمک آزمایش جذب-واجذب نیتروژن و به‌روش bet انجام گرفت. همچنین به‌منظور تعیین غلظت و نحوه قرارگیری اتم‌های دوپه در ساختار، از طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (xps) استفاده شد. نتایج نشان می‌دهند که صفحات نیترید‌بور در دمای c° 1000 با موفقیت سنتز شده‌ و سطح ویژه این ماده m2/g 300 با حفراتی با عرض 15 تا å 40 است. علاوه‌براین، نتایج آنالیز فازی نشان‌دهنده پراش پرتو ایکس، مطابق با الگوی پراش نیتریدبور هگزاگونال استاندارد است. طیف‌سنجی رامان، تشکیل پیوندهای نیتریدبور در امتداد صفحات را تایید می‌کند مقدار اکسیژن و کربن دوپ شده در این ماده به‌ترتیب 6 و 17% اندازه‌گیری و گزارش شده است.

synthesis of high-surface-area carbon- and oxygen-doped boron nitride for enhanced hydrogen physisorption capacity

doping by substitution in boron nitride using carbon and oxygen has been studied. the aim of this research was to modify the synthesis process to achieve doping of carbon and oxygen into the boron nitride structure by substituting dopant atoms with boron or nitrogen atoms without causing significant changes in the nanostructure and properties of the sample. to achieve this, the precursor for boron nitride synthesis was prepared by simultaneous dissolution of guanidine carbonate and boric acid in water and subsequent precipitation. this precursor was then subjected to a mixed nitrogen-hydrogen gas atmosphere (95% n2 / 5% h2) at temperatures of 1000°c and 1500°c for 3 hours. phase analysis was performed using x-ray diffraction (xrd), microstructure investigation was carried out using scanning electron microscopy (sem), and surface area measurement was conducted using nitrogen adsorption and desorption (bet) analysis. additionally, x-ray photoelectron spectroscopy (xps) was utilized to determine the concentration and placement of dopant atoms within the structure. the results indicate successful synthesis of boron nitride sheets at 1000°c with sub-nanometer pore sizes and high surface area. furthermore, the phase analysis results show x-ray diffraction peaks corresponding to hexagonal boron nitride. ultimately, the results of raman spectroscopy confirms the formation of bonds within the boron nitride sheets, and the measured percentages of oxygen and carbon doping in the material are reported as 6% and 17%, respectively. factors such as relatively low synthesis temperature and the use of a nitrogen/hydrogen mixed atmosphere in the synthesis process enabled the doping of oxygen and carbon atoms into the boron nitride structure.