Kredit:University of Manchester
En internationell grupp forskare har arrangerat 2D -nanoskikt av bornitrid, den "vita grafenen", i membran med en betydande nivå av konduktivitet och kemisk och termisk stabilitet upp till 90°C.
Att uppnå en ökad hastighet av jonflöde genom kanaler och porösa membran är viktigt för en rad tillämpningar, som energilagring och avsaltning av vatten, men det är utmanande.
Samarbete mellan forskare från Deakin University och ANSTO i Australien, Sorbonne i Frankrike och Drexel University i USA, har just publicerat studien i The Journal of the American Chemical Society .
Bornitrid nanosheets är vanligtvis hydrofila och teamet använde en förståelse för nanosheets interaktioner i lösning under en filtreringsprocess för att tillåta nanosheets att självmontera i den speciella strukturen i vattenlösning.
ANSTO-instrumentforskaren Chris Garvey och Guang Wang, en AINSE Post Graduate Research Award-mottagare från Deakin University, använde småvinkelröntgenspridning (SAXS) vid Australian Synchrotron som ett strukturellt verktyg för att undersöka materialet och karakterisera de nanofluidiska kanalerna i ett torrt och fullt hydratiserat bornitridmembran.
"Samspelet mellan nanopartiklarna i lösningen gjorde det möjligt för nanoarken att självmontera till material med en intressant struktur som en tunn film med förbättrad konduktivitet, " förklarade Garvey.
"När du tar bort vattnet under tillverknings-/filtreringsprocessen, partiklarna kommer närmare varandra och interaktionerna mellan partiklarna blir viktiga i självmonteringsprocessen och den slutliga strukturen, "sa Garvey.
Bornitrid-nanoskikten staplade på ett välinriktat sätt och bildade en lamellär membranstruktur.
Tusentals parallella slitsformade jonkanaler bildades i en speciell orientering på membranet som fungerade som en nanofluidkanal.
a) XRD-mönster av ett torrt BN-membran och ett helt hydratiserat BN-membran, med (002) och (004) diffraktionstoppar vid 26,7° och 54,9°, respektive. (b) Endimensionella (1D) SAXS-mönster av torra och helt hydratiserade BN-membran inriktade vinkelrätt och parallellt med röntgenstrålen, mönster staplade med offset från intensitetsskalan. (c, d) Schematik som visar BN -membranets parallella (c) och vinkelräta (d) position i SAXS -analysen. Upphovsman:Swiss National Science Foundation
"I motsats till ett elektronmikroskop, med SAXS kan du titta in i ett material och se hur det är sammansatt, vi kan se vad som händer när du lägger vatten och salt i ett fack i nanostorlek, sa Garvey.
Mätningar vid Australian Synchrotron vid SAXS -strållinjen gjorde det möjligt för dem att bestämma det genomsnittliga avståndet mellan lagren.
"Röntgenstrålen, som är cirka 200-300 mikron i diameter, är väl lämpad för att analysera många nanolager, ge ett statistiskt perspektiv på struktur, sa Garvey.
SAXS -mätningar vinkelrätt mot strålen indikerade brist på strukturell ordning längs membranets sidriktning, som också hade rapporterats för nanoark av grafenoxid.
Det övergripande strukturella perspektivet antydde att jonerna uteslöts från de inre utrymmena av kanalerna i membranet.
Mätning parallellt med bornitridmembranet gjorde det möjligt för dem att fastställa att vattenmolekyler och joner fanns kvar i kanalerna i skiktet.
Sättet joner passerar genom fluidkanalerna i nanoskala skiljer sig väsentligt från hur joner passerar genom bulken.
Författarna drog slutsatsen att en negativ ytladdning vid gränsytan mellan kanalväggen och elektrolyten visade sig spela en viktig roll vid jontransport.
Garvey sa att fysiken för filtreringsprocesser inte var väl förstått, med ytterligare förståelse som har relevans för många applikationer, såsom montering av dessa material men även hur lerjordar beter sig.
Bornitridmembran kan vara en attraktiv och lovande ersättning för nuvarande 2D-nanomaterial som är föremål för svåra förhållanden.
