受骨骼和軟骨啟發(fā)的膜可從鹽水中高效發(fā)電
受活生物體組織中的膜的啟發(fā),科學(xué)家將用于凱夫拉爾的芳族聚酰胺納米纖維與氮化硼結(jié)合在一起,制成了一種膜,用于收集既像骨頭一樣堅固又適合像軟骨這樣的離子傳輸?shù)暮Q竽堋_@項研究于12月18日發(fā)表在《焦耳》雜志上,克服了利用滲透能(淡水和海水之間的壓力和鹽度梯度差異)產(chǎn)生一種生態(tài)友好且可廣泛使用的可再生能源的技術(shù)的主要設(shè)計挑戰(zhàn)。
從一天到第二天,滲透性能源產(chǎn)生器的變化要小于太陽能和風(fēng)能發(fā)電場,因此它們比這些主要綠色能源更可靠。然而,通常用于膜中的粘土,氧化石墨烯,MXene和二硫化鉬納米材料傾向于在水中塌陷和崩解。
盡管最近由氮化硼制成的納米片顯示出了希望,隨著溫度的升高仍保持穩(wěn)定并且不易與其他物質(zhì)反應(yīng),但是僅由氮化硼制成的膜也不足以長時間耐水,因為它們很快就開始滲漏離子。產(chǎn)生微觀裂縫。
迪金大學(xué)前沿材料研究所高級研究員,澳大利亞項目的首席科學(xué)家雷偉偉說:“具有新穎且堅固的性能的新型先進(jìn)氮化硼復(fù)合膜將解決這個問題,而這一需求現(xiàn)在是迫切的。” IFM)。
美國首席科學(xué)家,密歇根大學(xué)工程學(xué)教授尼古拉斯·科托夫(Nicholas Kotov)說:“滲透能是人類的巨大資源,但其實現(xiàn)受到高性能離子選擇膜的嚴(yán)重限制。” 。
Lei,Kotov及其同事著手解決這一問題,其方法是將生物的組織作為藍(lán)圖,并觀察到需要許多不同種類的高性能離子選擇膜來促進(jìn)體內(nèi)的生物反應(yīng)。他們指出,盡管軟組織(例如軟骨,腎膜和基底膜)允許離子輕松通過,但它們卻脆弱而脆弱。相反,骨骼異常堅硬,但沒有有效的離子傳輸優(yōu)勢。
Kotov說:“我們發(fā)現(xiàn)了一種將兩種類型的材料'結(jié)合'在一起以同時獲得兩種性能的方法,它使用的芳族聚酰胺納米纖維可以制造類似于軟骨的柔性纖維材料,而氮化硼則可以制造類似于骨骼的血小板。”
“與單一材料制成的膜相比,我們的生物啟發(fā)型納米復(fù)合膜具有某些優(yōu)勢,例如堅固性高,易于制造并且具有更大的多功能性。”
研究人員使用逐層組裝的方法構(gòu)建了混合膜,這是一種用于重建層狀復(fù)雜復(fù)合材料的方法,該方法對水技術(shù)特別有用。他們對氯化鈉溶液中的一個芳族聚酰胺- 氮化硼膜儲層施加壓力以觀察其電流,并將其與其他納米材料膜進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)其通道的狹窄性使其比其他多孔膜能夠更好地吸引鈉陽離子并排斥氯離子。復(fù)合材料。Lei,Kotov和他的同事還用氯化鈉反復(fù)沖洗了20個循環(huán)膜以監(jiān)測其穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)該膜在200小時后仍能繼續(xù)發(fā)揮最佳作用。
“我們的新型復(fù)合膜在0至95攝氏度的溫度和2.8至10.8的pH范圍內(nèi)具有可調(diào)節(jié)的厚度和高穩(wěn)定性,” Lei說。
該論文的主要作者劉丹(Dan Liu)說:“廉價的組件和膜的使用壽命使實現(xiàn)海洋能的采集變得現(xiàn)實。”
總體而言,研究人員得出的結(jié)論是,芳族 聚酰胺- 氮化硼膜非常適合承受在產(chǎn)生滲透能時可能遇到的各種條件。他們還認(rèn)為該技術(shù)具有很高的可擴(kuò)展性,特別是因為其兩個組件都很便宜。芳族聚酰胺納米纖維甚至可以從廢棄的凱夫拉纖維織物中收集。
“這些是迄今為止已知性能最好的膜,”科托夫說。“但是,它們尚未完全優(yōu)化。甚至可能獲得更好的性能。”
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