Updated：2017-05-18 11:55
據膜分離技術交流微信公眾平臺2017年5月17日訊 通過多孔膜和離子通道時如何獲得較高的離子遷移率對于儲能和海水淡化等許多應用都有極為重要的作用。一個國際團隊將“白色石墨烯”——氮化硼（boron nitride，BN）應用于膜的制備中，取得了顯著的導電性能的提高、90℃的熱穩定性以及化學穩定性。相關的研究成果《High and stable ionic conductivity in 2D nanofluidic ion channelsbetween boron nitride layers》發表于JACS（Journal of the American Chemical Society，《美國化學會志》）雜志，第一作者Si Qin，通訊作者為澳大利亞迪肯大學尖端材料研究所的Weiwei Lei和Ying Chen教授，DOI: 10.1021/jacs.6b11100
氮化硼納米片通常是親水性的，該團隊在過濾過程中利用納米片的相互作用讓其在水溶液中自組裝成特殊結構。
|
a)數層BN膠體溶液； b)BN納米片的AFM圖像； c)一片15mm×4尺寸的無支撐BN膜； d)BN膜的斷面SEM圖像 |
澳大利亞核能科學和技術組織（ANSTO）的儀器科學家克里斯·加維（Chris Garvey）和Guang Wang在同步加速器上使用小角度X射線散射（SAXS）作為結構工具來探測并表征干燥和完全水合狀態的氮化硼膜的納米流體通道。
加維解釋說：“溶液中納米顆粒的相互作用能讓納米片自組裝成具有增強導電性的有趣結構的薄膜。當在制造/過濾過程中去除水分時，顆粒更加緊密地結合在一起，顆粒間的相互作用在自裝配過程和最終結構中變得重要起來。”
|
a)BN導管和測試裝置的示意圖； b)BN導管置于聚二甲基硅氧烷中； c)在NaCl濃度為0.01，0.02，0.05M下的I-V曲線； d)BN導管裝置和PH7溶液中的離子電導率和NaCl濃度函數 |
氮化硼納米片以良好對準的方式堆疊并形成了層狀膜結構，成千上萬個平行的狹縫狀的離子通道作為納米流體導管在膜內定向形成。
“與電子顯微鏡相比，SAXS可以看到材料內部，當把水和鹽放入納米尺度的隔室后會發生什么，觀察它是怎樣組裝的。”加維說。
|
a)干態BN膜和完全水合BN膜的XRD圖案； b)垂直和平行、干態和完全水合BN膜的1維SAXS圖案； c)和d)分別是BN膜和SAXS分析的平行(c)和垂直(d)位置示意圖 |
用澳大利亞同步加速器的SAXS光束線處的測量可以讓它們確定層間的平均間距。X射線束直徑約為200～300微米，非常適合分析許多納米層，給出結構的統計學透視。垂直于光束的SAXS測量顯示沿著膜的橫向方向缺乏結構順序，這種現象同樣也在氧化石墨烯的納米片中被報道過。
總體結構觀點表明，與氮化硼平行的測量使得它們可以確定水分子和離子仍保留在層內通道中。離子通過納米級流體通道的方式與離子通過大容量（bulk）的方式顯著不同。作者得出結論，在通道壁和電解質之間界面處的負表面電荷在離子遷移中起到重要作用。加維說過濾過程的物理機理還沒有完全的理解，進一步的理解需要相關應用的理解，包括材料的組裝、粘土的行為方式等。
氮化硼膜可能是現有嚴苛條件下2D納米材料中具有吸引力的替代品。