揭示氮化硼对水（H2O）和烷烃分子的意外化学反应性

《Journal of the American Chemical Society》：Revealing an Unexpected Chemical Reactivity of Boron Nitride to H2O and Alkane Molecules

h-BN在温和条件下与H2O、CH4、C2H6发生化学反应，生成NH4+和B(OH)4^-。氧掺杂的B-N边通过强轨道相互作用活化水分子，促进其插入B-N键，并催化CH4/C2H6氧化为CO和CH3OH。18O同位素实验证实氧原子在活化C-H键中起关键作用，释放的NH4+和B(OH)4^-为CO转化为甲酸提供了反应环境，挑战了h-BN化学惰性的传统认知。

　　

本文通过大量实验证据揭示了惰性六方氮化硼（h-BN）在温和条件下对H₂O、CH₄和C₂H₆具有意想不到的化学反应性。在常温和条件下，H₂O分子会在B–N边缘位点解离并插入B–N键中。详细的光谱分析表明，这一过程会使氮原子位点质子化、硼原子位点羟基化，从而形成N–H和B–OH基团。最终，氮质子化和硼羟基化的产物NH₄⁺和B(OH)₄^–离子会释放到水中。这种反应性在掺氧的B–N边缘处显著增强。理论模拟显示，H₂O中的H（1s）轨道与B–N边缘的B（2p）/N（2p）轨道之间的强轨道相互作用会在吸附位点产生显著的化学应力，促进H₂O的解离及其进一步插入B–N键中。此外，我们发现CH₄和C₂H₆可以在氮化硼表面、在温和温度下无需额外氧化剂的情况下被氧化为CO和微量CH₃OH。¹⁸O同位素追踪实验证实，氮化硼基质中的氧是导致CH₄和C₂H₆中C–H键活化及氧化的原因。同时，释放出的NH₄⁺和B(OH)₄^–离子为形成的CO的水合提供了反应微环境，使其能够自发地转化为甲酸。这些发现从根本上挑战了长期以来认为h-BN在温和条件下为化学惰性材料的观点。