设备中的2D材料可帮助分离海水中的盐分

news-2dmaterials-3

图片来源:曼彻斯特大学
二维(2D)材料已成功组装到设备中,该设备具有用于水淡化的尽可能小的人造孔。

曼彻斯特大学国家石墨烯研究所(NGI)的一组研究人员已经成功地在新型膜中制造了微小的缝隙,该膜的尺寸仅为几埃(0.1 nm)。这使得可以分析各种离子如何通过这些微小的孔。

缝隙由石墨烯,二硫化钼(MoS 2)和六方氮化硼(hBN)组成,令人惊讶的是,直径大于缝隙大小的离子可以透过。尺寸排阻研究可以使人们更好地了解类似规模的生物过滤器(例如水通道蛋白)的工作原理,因此将有助于开发用于水脱盐和相关技术的高通量过滤器。

对于热衷于研究流体行为及其过滤的研究人员而言,可控地制造尺寸接近小离子和单个水分子大小的毛细管是一个终极但显然遥不可及的目标。

研究人员一直在尝试复制天然存在的离子传输系统,但是事实证明这并非易事。不幸的是,用基本方法和常规材料制造的通道的尺寸受到材料表面固有的粗糙度的限制,该粗糙度通常比小离子的水合直径大至少十倍。

今年早些时候,NGI生产的基于氧化石墨烯的膜作为新过滤技术的潜在候选者引起了广泛关注。使用新的2D材料工具包进行的这项研究揭示了从盐水中提供清洁饮用水的现实世界的潜力。为了更好地理解离子传输背后的中心机制,曼彻斯特大学的安德烈·吉姆爵士(Andre Geim)率领的一个小组制作了原子扁平的狭缝,其尺寸仅为几埃。这些通道是化学惰性的,具有埃规模的光滑壁。

研究人员由两块100 nm厚的石墨晶体平板形成狭缝装置,这些石墨平板的厚度为几微米,是通过切碎大块的石墨晶体获得的。然后,他们在一个石墨晶体平板的每个边缘处放置了双层石墨烯和单层MoS 2的矩形2D原子晶体的矩形块,然后将另一个平板放置在第一个石墨晶体板上。这会在平板之间产生一个间隙,该间隙的高度与垫片的厚度相匹配。

这就像拿一本书,在其每条边缘上放置两个火柴,然后将另一本书放在顶部。这会在书的表面之间创建一个间隙,该间隙的高度等于火柴的厚度。在我们的案例中,书本是原子上扁平的石墨晶体,火柴棒是石墨烯或MoS 2单层。

组件通过范德华力保持在一起,缝隙的大小与水通道蛋白的直径大致相同,水通道蛋白的直径对于活生物体至关重要。狭缝的尺寸尽可能小,因为间隔较薄的狭缝由于相对壁之间的吸引力而不平衡且会塌陷。

如果将离子浸泡在离子溶液中时在狭缝上施加电压,离子就会流过狭缝,并且该离子流会构成电流。该团队测量了离子通过缝隙穿过氯化物溶液时的电导率,发现离子可以在施加电场的情况下穿过它们。

当我们仔细观察时,发现较大的离子穿过的速度比较小的离子(如氯化钾)的移动速度慢。

该论文的第一作者Ali Esfandiar博士补充说:“ 经典观点是直径大于狭缝尺寸的离子无法渗透,但是我们的结果表明这种解释过于简单。实际上,离子的行为就像柔软的网球,而不是坚硬的台球,而且大的离子仍然可以通过,要么扭曲其水壳,要么完全脱落。

这项发表在《科学》杂志上的新研究表明,这些新近观察到的机制对于使用尺寸排阻法进行脱盐具有至关重要的作用,并且是形成高通量淡化膜的关键步骤。

Share on email
Email
Share on print
Print