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JACS:用氮化硼在膜中制备高稳定性和电导率的2D纳米流体通道

http://www.water.hc360.com2017年05月18日09:51 来源:膜分离技术交流T|T

    慧聪水工业网 通过多孔和离子通道时如何获得较高的离子迁移率对于储能和海水淡化等许多应用都有极为重要的作用。一个国际团队将“白色石墨烯”——氮化硼(boronnitride,BN)应用于膜的制备中,取得了显著的导电性能的提高、90℃的热稳定性以及化学稳定性。相关的研究成果《High and stable ionic conductivity in 2D nanofluidic ion channelsbetween boron nitride layers》发表于JACS杂志,第一作者SiQin,通讯作者为澳大利亚迪肯大学尖端材料研究所的WeiweiLei和YingChen教授,DOI:10.1021/jacs.6b11100

    氮化硼纳米片通常是亲水性的,该团队在过滤过程中利用纳米片的相互作用让其在水溶液中自组装成特殊结构。

    a)数层BN胶体溶液;b)BN纳米片的AFM图像;c)一片15mm×4尺寸的无支撑BN膜;d)BN膜的断面SEM图像

    澳大利亚核能科学和技术组织(ANSTO)的仪器科学家ChrisGarvey和GuangWang在同步加速器上使用小角度X射线散射(SAXS)作为结构工具来探测并表征干燥和完全水合状态的氮化硼膜的纳米流体通道。

    Garvey解释说:“溶液中纳米颗粒的相互作用能让纳米片自组装成具有增强导电性的有趣结构的薄膜。当在制造/过滤过程中去除水分时,颗粒更加紧密地结合在一起,颗粒间的相互作用在自装配过程和最终结构中变得重要起来。”  

    a)BN导管和测试装置的示意图;b)BN导管置于聚二甲基硅氧烷中;c)在NaCl浓度为0.01,0.02,0.05M下的I-V曲线;d)BN导管装置和PH7溶液中的离子电导率和NaCl浓度函数

    氮化硼纳米片以良好对准的方式堆叠并形成了层状膜结构,成千上万个平行的狭缝状的离子通道作为纳米流体导管在膜内定向形成。

    “与电子显微镜相比,SAXS可以看到材料内部,当把水和盐放入纳米尺度的隔室后会发生什么,观察它是怎样组装的。”Garvey说。  

    a)干态BN膜和完全水合BN膜的XRD图案;b)垂直和平行、干态和完全水合BN膜的1维SAXS图案;c)和d)分别是BN膜和SAXS分析的平行(c)和垂直(d)位置示意图

    用澳大利亚同步加速器的SAXS光束线处的测量可以让它们确定层间的平均间距。X射线束直径约为200-300微米,非常适合分析许多纳米层,给出结构的统计学透视。垂直于光束的SAXS测量显示沿着膜的横向方向缺乏结构顺序,这种现象同样也在氧化石墨烯的纳米片中被报道过。

    总体结构观点表明,与氮化硼平行的测量使得它们可以确定水分子和离子仍保留在层内通道中。离子通过纳米级流体通道的方式与离子通过大容量(bulk)的方式显著不同。作者得出结论,在通道壁和电解质之间界面处的负表面电荷在离子迁移中起到重要作用。Garvey说过滤过程的物理机理还没有完全的理解,进一步的理解需要相关应用的理解,包括材料的组装、粘土的行为方式等。

    氮化硼膜可能是现有严苛条件下2D纳米材料中具有吸引力的替代品。

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责任编辑:殷莹莹

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