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六方氮化硼（h-BN）因其层状结构、高比表面积及极性B-N位点，在废水处理中展现出高效吸附、催化及膜分离能力，可去除重金属、有机污染物及PFAS等新兴污染物。本文系统综述h-BN基材料在水处理中的应用机制，对比分析其与石墨烯的电子特性差异及协同效应，并总结吸附、光催化、Fenton-like反应等技术的最新进展。
李允俊|金英珠|李珠亨|杨珠熙|元承铉|李哲灿|李昌圭|权爱兰
韩国汉阳大学地球资源与环境工程系，首尔04763
摘要
功能性材料在废水处理中的应用已成为降解传统处理工艺无法有效去除的污染物的有效策略。在这些材料中，基于六方氮化硼（h-BN）的系统在去除多种重金属和新兴有机污染物方面显示出巨大潜力。其卓越的性能主要归因于其由极性B-N键组成的层状六方结构，这种结构形成了理想的路易斯酸（B）和路易斯碱（N）位点，有利于协同作用。为了阐明基于h-BN的材料的功能性作用，本文全面探讨了h-BN的物理化学性质及其作为异质协同平台的能力。详细讨论了基于h-BN的材料与各种有机和无机污染物之间的表面配位和活化机制，特别强调了用于重金属固定和污染物降解的协同过程。此外，还总结了基于h-BN的材料在吸附、膜分离、光催化、类芬顿反应和电催化等领域的最新应用进展。同时，对h-BN与其结构类似物石墨烯进行了比较分析，强调了结合它们互补的物理化学性质以提升处理效率的复合设计。总体而言，本文建立了一个全面的框架，将h-BN的材料结构和性质与其在水处理中的功能性能联系起来，为h-BN基系统的合理工程设计及实际应用提供了宝贵的见解。
引言
氮化硼（BN）是一种多态陶瓷材料，存在几种晶体形态，包括六方（h-BN）、立方（c-BN）、菱形（r-BN）和纤锌矿（w-BN）（图1a）[1]、[2]、[3]、[4]。BN的不同晶体形式赋予了其独特的物理化学性质，使其可用于能源存储与转换、环境修复、电子学、润滑和生物医学等多种领域[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。其中，h-BN因其蜂窝状晶格结构与石墨烯相似而受到广泛关注，常被称为“白色石墨烯”[12]。h-BN的独特之处在于其层内B-N共价键的强结合力以及层间的弱范德华相互作用[13]。与石墨烯相比，h-BN的独特键合特性抑制了π电子的离域，导致其具有5–6 eV的宽带隙，这形成了价带和导带之间的巨大能量障碍[14]、[15]。这些结构特征加上宽带隙赋予了h-BN在高强度条件（包括水环境）下的高化学稳定性和抗氧化性，同时抑制了不必要的电子转移[16]。其高表面积、丰富的缺陷和边缘位点以及部分离子特性也增强了其对多种有机和无机污染物的选择性吸附能力，使其成为水处理应用中的多功能材料[17]、[18]、[19]。
饮用水和废水中存在的有害且持久的污染物，如药物和个人护理产品（PPCPs）[20]、[21]、[22]、内分泌干扰物[23]、[24]、[25]、农药[26]、[27]、[28]、染料[29]、[30]、[31]、全氟/多氟烷基物质（PFAS）[32]、[33]、[34]以及金属（类）[35]、[36]、[37]，对人类和水生生物构成潜在威胁。使用传统水处理技术往往难以降解或去除这些污染物，因此需要更可靠和有效的修复策略。在众多有前景的技术选项中，利用功能性材料作为水中的污染物控制介质受到了广泛研究，因为它们具有可调的结构、协同功能、广泛的适用性和可重复使用性[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。
基于h-BN的功能性材料因其大表面积和强静电相互作用而成为高效吸附金属离子和有机污染物的材料[3]、[47]，同时也因其高化学稳定性而成为可靠的膜材料[49]、[50]。除了这些环境应用外，人们还致力于将基于h-BN的材料用作金属离子和有机污染物的氧化还原去除的光催化剂[51]、[52]、[53]。此外，还开发了基于h-BN的创新修复平台，用于类芬顿氧化[54]和电催化[55]等处理过程。尽管h-BN在环境修复方面具有巨大潜力，但目前尚未有全面总结其在水处理过程中多种应用的综述。同时，关于h-BN与石墨烯在各种水处理过程中的比较研究也较为少见。
本文全面概述了基于h-BN的功能性材料在水环境中修复多种有机和无机污染物的应用（图2）。研究了基于h-BN的材料的结构和物理化学特性及其与水生污染物的相互作用机制，这些机制对其处理性能至关重要。特别强调了基于h-BN的水处理技术在实验和理论研究方面的最新进展，包括吸附、膜分离、光催化、类芬顿反应和电催化。此外，本文还对比分析了h-BN与其结构类似物石墨烯，两者具有相同的六方晶格但键极性不同，并讨论了它们在净水过程中的各自作用和协同效应。[4]
BNs和基于h-BN的纳米结构的结构与性质
多态BN的原子排列和键合特性决定了其不同的机械、热学和电子性质。例如，h-BN由sp2键连接的类石墨层组成，每个原子在基面内与三个相邻原子形成共价键[60]。层内的B-N共价键（1.44 ?）赋予了其高机械/化学/热稳定性，同时也形成了其平面层状结构[61]。
水环境中h-BN与污染物之间的界面相互作用
水环境（水和废水）中含有多种无机污染物（包括金属（类）和背景离子），以及有机污染物（如染料、PPCPs、农药和酚类），这些污染物的浓度和氧化状态各不相同[140]、[141]、[142]、[143]。阐明基于h-BN的材料与水介质中（无）机污染物之间的相互作用机制对于提高污染物去除效率至关重要[144]
使用基于h-BN的材料进行水处理
持久性和有毒的新兴有机污染物表现出强烈的抗生物降解性[140]、[264]、[265]，使用传统处理方法（包括物理化学过程）对其的有效去除仍然有限[37]、[266]。因此，迫切需要开发和实施先进的修复技术[267]。由于h-BN在广泛的目标污染物和操作条件下的多功能性，相关研究十分活跃
H-BN与石墨烯：两种晶格的故事
尽管h-BN和石墨烯具有相同的六方晶格结构，但它们的电化学性质却有所不同：石墨烯的非极性C-N键导致π电子完全离域，而h-BN的极性B-N键则将电子局域在N原子上[382]。因此，石墨烯和h-BN在水处理系统中的主要作用不同：石墨烯的高电导率增强了催化过程中的电荷传输
结论
本文确立了h-BN作为一种独特的多功能材料在环境修复中的地位，这一作用主要得益于其极性B-N位点的表面协同作用。过去十年中，基于h-BN的水处理技术取得了显著进展，旨在降解有毒、顽固和新兴的水生污染物。由于h-BN独特的结构和化学性质，基于h-BN的各种功能性材料得到了广泛应用
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本研究工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的资助（授权号RS-2023-NR077231）。
