潘也唐副教授、何吉宇教授，JMCA研究论文：仿生MOF模板单原子催化策略构筑可回收阻燃聚合物复合材料及其热管理性能

第一作者：毕雪

通讯作者：潘也唐*，何吉宇*

单位：北京理工大学，中国安全生产科学研究院，北京化工大学，南昆士兰大学

随着全球碳中和与可持续发展目标的推进，开发兼具高效阻燃性、环境兼容性和可回收性的聚合物材料成为迫切需求。传统阻燃剂因耐久性差、机械性能衰减严重及难以回收等问题，难以满足高端应用需求。热塑性聚氨酯（TPU）因其优异的机械性能和加工灵活性被广泛应用，但其易燃性导致燃烧时释放大量有毒气体（如CO、HCN），对生态和健康构成双重威胁。六方氮化硼（h-BN）作为一种二维层状材料，具有高热稳定性、高导热性和化学惰性，但其纳米片易因强范德华力团聚，限制了阻燃效率。本研究受松果分级结构的启发，提出一种基于MOF模板的策略，通过硼/氮共掺杂和MOF热解设计h-BN纳米片与原子级分散钴（Co⁰）位点的复合结构，旨在突破传统阻燃体系局限，实现多功能集成与可回收特性。

基于此，北京理工大学国家阻燃材料工程技术研究中心杨荣杰教授团队潘也唐副教授、何吉宇教授在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Fire-safe polymer composites enabled by a nature-inspired MOF-derived single atom catalysis strategy for thermal management with recyclability”的文章。该研究提出了一种基于金属有机骨架（MOF）模板的硼/氮共聚合策略，成功构建了六方氮化硼（h-BN）纳米片与原子级分散钴（Co⁰）位点的复合结构。该杂化材料显著提升了热塑性聚氨酯（TPU）的阻燃性能、导热及抗紫外线性能，并证实了氮化硼物质的可回收特性。该工作为开发兼具高效阻燃-热管理功能与可循环特性的复合材料提供了新思路。

Figure 1. Schematic diagram of the preparation and recovery of MOF-derived BN hybrid fillers.

采用仿生策略，以钴基MOF（ZIF-67）为前驱体，通过氨基功能化、硼酸修饰及高温热解，同步实现h-BN纳米片的原位生长与钴单原子的原子级分散。MOF的限域效应有效抑制h-BN层间堆积，形成三维花状超结构，增强与TPU基体的界面结合。仿松果鳞片结构设计的复合材料中，h-BN纳米片作为物理屏障阻隔热质传递，Co⁰单原子催化CO氧化为CO₂，协同提升阻燃性能。此外，通过自组装技术构建的分级多孔结构不仅优化了材料界面黏附性，还通过毛细作用促进裂解产物的吸附与催化转化。该方法解决了h-BN纳米片易团聚和金属活性位点分布不均的难题，为多功能阻燃体系设计提供了新思路。

Figure 2. Schematic of the synthesis of h-BNNSs@Co.

要点二：h-BN与Co⁰协同阻燃及催化机制

h-BN纳米片与单原子Co⁰的协同作用显著提升了TPU的阻燃性能。TPU/h-BNNSs@Co复合材料的热释放速率峰值（pHRR）和烟释放速率峰值（pSPR）分别降低47.5%和44.5%，总热释放（THR）减少35.6%。h-BN纳米片形成致密物理屏障，Co⁰单原子催化CO转化效率显著，CO释放率大幅下降。此外，Co⁰在高温下部分氧化为CoOₓ簇，与h-BN协同促进炭层的石墨化（Raman显示ID/IG从3.68降至2.68），增强炭层抗氧化能力。TG-FTIR进一步证实，复合材料显著减少了烷烃、酯类等可燃挥发分的释放，实现了气相与凝聚相的双重阻燃。

Figure 3. (a) HRR, (b) THR; (c); SPR (d) TSP; (e) SF; (f) COP, (g) CO₂P; (h) Comparison of increase in char residue and reduction in pCOP in literature. (i) Comparison of comprehensive properties of flame retardants used in TPU composites in literature.

要点三：复合材料多功能性能优化与机理

除阻燃性外，h-BNNSs@Co赋予TPU优异的导热与抗紫外性能。导热结果显示，TPU/h-BNNSs@Co的热导率提升42.8%（0.41 W·m⁻¹·K⁻¹），归因于h-BN纳米片的均匀分散与三维导热网络的形成。紫外老化实验表明，复合材料经60 h辐照后拉伸强度保留率高达88.7%，远优于纯TPU（49.5%），h-BN的宽带紫外吸收（200-800 nm）有效保护了聚合物链结构。此外，复合材料在酸/盐溶液中表现出良好的化学稳定性（质量变化<5.5%），SEM显示界面无显著劣化。力学性能测试证实，h-BNNSs@Co与TPU基体相容性良好，拉伸强度（25.03 MPa）和断裂伸长率（402%）接近纯TPU，避免了传统阻燃剂对机械性能的负面影响。

Figure 4. (a) UV-vis absorption spectra; (b) Typical tensile stress-strain curves; (c) Histogram of tensile strength; (d) Histogram of elongation at the break; (e) Retention of tensile strength and elongation at break; (f) TGA curves; (g-p) SEM image and enlarged SEM image of the fractured surface of pure TPU and its composites after 60 h UV irradiation.

要点四：阻燃组分的可回收性与环境友好性

研究验证了燃烧后残炭中h-BN的高效回收潜力。通过500℃空气煅烧去除有机组分，h-BN回收率高达67.2%，且保留完整层状结构（TEM显示0.25 nm晶格条纹）。XPS分析表明，回收产物中Co⁰氧化为Co₃O₄/CoO混合相，但仍具备催化活性。该策略解决了传统阻燃剂难以循环利用的瓶颈，实现了“绿色设计—高效防护—资源回收”的全生命周期闭环管理。此外，MOF模板的低毒性及h-BN的化学惰性降低了环境风险，为可持续聚合物材料的开发提供了范例。

Figure 5. (a) Digital photos of residual char before and after calcination; (b) Schematic diagram of the recovery process of flame retardant; (c, d, e) TEM images and (f) EDS elemental mappings of recovered materials.

前瞻：多功能可回收复合材料的设计与应用拓展

本研究为开发兼具高效阻燃、热管理与环境兼容的聚合物复合材料提供了新范式。未来可进一步拓展MOF模板的多样性（如Zn、Fe基MOF），调控h-BN的层数与金属位点分布，以优化催化与界面性能。在应用层面，此类材料有望应用于新能源电池包覆、智能穿戴设备及建筑防火涂层等领域，满足高温场景下的热管理与安全需求。此外，探索h-BN/金属协同体系在其他聚合物（如环氧树脂、聚乳酸）中的普适性，并开发低成本规模化制备工艺，将是实现产业化应用的关键。最终目标是通过材料设计创新，推动聚合物材料向高性能、多功能、全周期可持续方向迈进。

Fire-safe polymer composites enabled by a nature-inspired MOF-derived single atom catalysis strategy for thermal management with recyclability

潘也唐副教授简介：本文通讯作者，北京理工大学长聘副教授、博士生导师。2018年于马德里理工大学取得博士学位。依托国家阻燃材料工程技术研究中心，主要从事多功能高分子火安全材料的研究。相关成果发表 SCI 论文100余篇，参编英文专著4部，主持国家和省部级科研项目9项。担任Journal of Polymer Materials期刊副主编，Exploration、Microstructures及Polymer Science & Technology等期刊青年编委。

毕雪简介：本文第一作者，北京理工大学博士研究生。主要研究方向为MOFs基功能阻燃剂。以第一作者累计在Small、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Composites Part A-Applied Science and Manufacturing等期刊发表 SCI 论文10篇。

北京理工大学国家阻燃材料工程技术研究中心立足于公共安全、防灾减灾、火安全防护需求以及阻燃材料的关键技术与重大工程难题，依托北京理工大学在材料科学与工程、安全科学与工程等一级学科的学科优势以及在基础研究以及成果转化方面的技术研发优势，以“环保高效阻燃剂研究开发及应用”、“阻燃材料及加工技术”、“高温热防护材料和特种功能材料研发”、“材料及制品火安全评价技术”为主要研发方向，开展应用基础、技术开发和工程化研究。围绕石油化工、电子电器、建筑材料、交通运输、航空航天、军工、制造、公共安全等领域的功能防护问题，以技术开发、成果转化、技术转移和孵化为途径，通过自主创新和产学研结合，成为我国阻燃领域具有国际先进水平和重要影响力的阻燃材料工程技术创新研究、新产品新技术工程化开发、工程化成果转化辐射、社会服务和科技合作交流平台。