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渗透能发电新材料:新型芳纶氮化硼纳米膜
2020年01月06日 发布 分类:技术前沿 点击量:321
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受生物体组织膜的启发,科学家们将芳纶纳米纤维与氮化硼结合,构建了一种既像骨一样坚固又像软骨一样适合离子传输的海洋能量收集膜。这项研究于12月18日发表在《焦耳》杂志上,它攻克了关于利用渗透能产生可再生能源的主要技术难关。

据了解,渗透能发电比太阳能和风能更加可靠。然而,常用于制造渗透膜的粘土、石墨烯氧化物和二硫化钼纳米材料在水中容易崩溃甚至解体。虽然近期开发的氮化硼纳米膜耐高温,物化性质稳定,但耐水时间依旧达不到预期的要求,当它们形成微观裂纹时,便开始泄漏离子。

 

耐高温的氮化硼纳米膜

迪肯大学前沿材料研究所(IFM)高级研究员、澳大利亚首席科学雷伟伟(Weiwei Lei)说:“新一代的氮化硼复合膜将解决这个难题。”

美国首席科学家、密歇根大学工程教授尼古拉斯·科托夫(Nicholas Kotov)说:“渗透能对人类来说是一种巨大的资源,但它的应用受到高性能离子选择膜可用性的严重限制。”

雷教授和科托夫决定携手攻克这个难题,他们将生物组织作为蓝图,观察到需要许多不同种类的高性能离子选择膜来促进它们体内的生物反应。他们指出,虽然软组织,如软骨、肾膜和基底膜,允许离子轻松通过,但它们是脆弱的。相比之下,骨骼非常坚固,但没有有效的离子传输。

科托夫说:“我们找到了一种方法来‘嫁给’这两种材料同时获得这两种性能,我们使用芳纶氮化硼复合材料,制成类似于软骨的柔性纤维,并像骨骼一样坚固。”

“我们的仿生纳米复合膜具有一定的优势,如高鲁棒性,比单一材料制成的膜更容易制造和提供更完善的功能。”雷说。

研究人员使用逐层组装构建了纳米复合膜。这是一种重建层状复合材料的方法,尤其适用于水技术。他们在氯化钠溶液中将压力施加给芳纶氮化硼膜的一个储层上,观察其电流变化,并与其他纳米材料膜进行比较,发现狭窄的通道使芳纶氮化硼复合膜能够比其他多孔复合材料更好地吸收钠离子、排斥氯离子。他们还用氯化钠反复冲洗约20个周期,来监测膜的稳定性,发现它在200小时后仍能保持最佳的功能。

“我们的新型复合膜厚度可调,在0~95°C 和pH 2.8~10.8下具有高度的稳定性。”雷说。

该论文的主要作者刘丹(Dan Liu)也在IFM工作,他说:“廉价的组件和膜的使用寿命使海洋能源的获取成为现实。”。

因此,芳纶氮化硼膜非常适合在产生渗透能的过程中,承受各种复杂的海水条件。研究人员还认为这项技术具有高度的可扩展性,特别是因为它的两个组件都很便宜。芳纶纳米纤维甚至可以从废弃的芳纶织物中收集。

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