Introduction of Protonated Sites on Exfoliated, Large-Area Sheets of Hexagonal Boron Nitride

材料科学 质子化 表面改性 离域电子 氮化硼 带隙 纳米技术 化学工程 光电子学 化学 离子 有机化学 工程类
作者
Kabeer Jasuja,Kayum Ayinde,Christina L. Wilson,Sanjay K. Behura,Myles A. Ikenbbery,David S. Moore,Keith L. Hohn,Vikas Berry
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:12 (10): 9931-9939 被引量:50
标识
DOI:10.1021/acsnano.8b03651
摘要

Hexagonal boron nitride (h-BN) sheets possess an exclusive set of properties, including wide energy band gap, high optical transparency, high dielectric breakdown strength, high thermal conductivity, UV cathodoluminescence, and pronounced thermochemical stability. However, functionalization of large h-BN layers has remained a challenge due to their chemical resistance and unavailable molecular-binding sites. Here we report on the protonation of h-BN via treatment with chlorosulfonic acid that not only exfoliates "large" h-BNs (up to 10 000 μm2) at high yields (∼23%) but also results in their covalent functionalization by introducing four forms of aminated nitrogen (N) sites within the h-BN lattice: sp2-delocalized and sp3-quaternary protonation on internal N sites (>N+═ and >NH+-) and pyridinic-like protonation on the edge N sites (═NH+- and -NH-). The presence of these groups transforms the chemically passive h-BN sheets to their chemically active form, which as demonstrated here can be used as scaffolds for forming composites with plasmonic gold nanoparticles and organic dye molecules. The dispersion of h-BNs exhibits an optical energy band gap of 5.74 eV and a zeta potential of ζ = +36.25 mV at pH = 6.1 (ζmax = +150 mV), confirming high dispersion stability. We envision that these two-dimensional nanomaterials with an atomically packed honeycomb lattice and high-energy band gap will evolve next-generation applications in controlled-UV emission, atomic-tunneling-barrier devices, ultrathin controlled-permeability membranes, and thermochemically resistive transparent coatings.
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