Stabil, stærkt ledende 2-D nanoplader af bornitrid

En international gruppe af forskere har arrangeret 2D nanoark af bornitrid, den "hvide grafen", ind i membraner med et betydeligt niveau af ledningsevne og kemisk og termisk stabilitet op til 90°C.

At opnå en øget ionstrømningshastighed gennem kanaler og porøse membraner er vigtigt for en række anvendelser, såsom energilagring og vandafsaltning, men det er udfordrende.

Samarbejdet mellem forskere fra Deakin University og ANSTO i Australien, Sorbonne i Frankrig og Drexel University i USA, har netop offentliggjort undersøgelsen i The Journal of the American Chemical Society .

Bornitrid nanosheets er normalt hydrofile, og holdet brugte en forståelse af nanosheet-interaktionerne i opløsning under en filtreringsproces for at tillade nanosheets at samle sig selv til den specielle struktur i vandig opløsning.

ANSTO instrument videnskabsmand Chris Garvey og Guang Wang en AINSE Post Graduate Research Award-modtager fra Deakin University, brugt small angle X-ray scattering (SAXS) ved Australian Synchrotron som et strukturelt værktøj til at sondere materialet og karakterisere de nanofluidiske kanaler i en tør og fuldt hydreret bornitridmembran.

"Samspillet mellem nanopartiklerne i opløsning gjorde det muligt for nanoarkene at samle sig selv til materiale med en interessant struktur som en tynd film med forbedret ledningsevne, " forklarede Garvey.

"Når du fjerner vandet under fremstillings-/filtreringsprocessen, partiklerne kommer tættere på hinanden, og vekselvirkningerne mellem partiklerne bliver vigtige i selvsamlingsprocessen og den endelige struktur, " sagde Garvey.

Bornitrid-nanoarkene stablet op på en velafstemt måde og dannede en lamellær membranstruktur.

Tusindvis af parallelle spalteformede ioniske kanaler dannet i en bestemt orientering på membranen, der fungerede som en nanofluidisk kanal.

"I modsætning til et elektronmikroskop, med SAXS kan du se inde i et materiale og se, hvordan det er samlet, vi kan se, hvad der sker, når du putter vand og salt i et rum i nanostørrelse, " sagde Garvey.

Målinger ved den australske synkrotron ved SAXS-strålelinjen tillod dem at bestemme den gennemsnitlige afstand mellem lagene.

"Røntgenstrålen, som er omkring 200-300 mikrometer i diameter, er velegnet til at analysere mange nanolag, give et statistisk perspektiv på struktur, " sagde Garvey.

SAXS-målinger vinkelret på strålen indikerede en mangel på strukturel orden langs membranens laterale retning, som også var blevet rapporteret for nanoark af grafenoxid.

Det overordnede strukturelle perspektiv antydede, at ionerne blev udelukket fra de indre rum af kanalerne i membranen.

Måling parallelt med bornitridmembranen gjorde det muligt for dem at bestemme, at vandmolekyler og ioner forblev i intra-lagskanalerne.

Den måde, ioner passerer gennem de fluidiske kanaler på nanoskala, er væsentligt forskellig fra den måde, ioner passerer gennem bulken.

Forfatterne konkluderede, at en negativ overfladeladning ved grænsefladen mellem kanalvæggen og elektrolytten viste sig at spille en vigtig rolle i iontransport.

Garvey sagde, at fysikken i filtreringsprocesser ikke var godt forstået, med yderligere forståelse, der har relevans for mange applikationer, såsom samling af disse materialer, men også den måde, lerjord opfører sig på.

Bornitridmembraner kunne være en attraktiv og lovende erstatning for nuværende 2D nanomaterialer underlagt barske forhold.