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“自支撑”结构:二维膜开发的新思路

二维膜是一类具有层状堆叠结构的新型膜,一般通过二维纳米片之间的层间空腔进行传质分离。由于二维纳米片具有较大的宽厚比、成膜容易,因此近年来引起了大家的广泛关注。通常来讲,二维膜整体结构得以维持主要依赖于二维纳米片层之间的静电斥力或范德华力。但不同的操作条件,如增大压力或改变pH,将导致二维膜结构发生变化,使二维孔道受挤压变形,或纳米片的电位发生改变,导致膜孔道变形等。因此,如何提高二维膜的结构稳定性,使其在不同的化学环境中保持优良的分离性能也逐渐成为人们关注的热点。

图1. 具有“自支撑”结构g-C3N4二维膜的超滤应用


针对这一难题,华南理工大学王海辉教授(点击查看介绍)课题组设计了一类具有“自支撑”结构的g-C3N4二维膜,通过控制刻蚀条件获得凹凸不平的二维g-C3N4纳米片,即纳米片保留了部分未剥离的体相结构(如图1d所示),这些凸起的体相结构将在二维膜中扮演“柱撑”的角色,即获得具有“自支撑”结构的二维孔道。这些惰性“柱撑”不会受溶液pH等条件的影响,因此得到的二维膜表现出较好的分离稳定性。这类“自支撑”结构为二维膜未来的新型结构开发和设计提供了新的思路。将这类具有“自支撑”结构的g-C3N4二维膜用于超滤,由此支撑而产生的纳米片间空腔与二维g-C3N4纳米片自身的固有孔作为水的传质的方法提供了大量丰富的通道。作者又进一步通过分子模拟手段探究发现,水分子和g-C3N4纳米片的相互作用非常弱,水分子在g-C3N4纳米孔道中的传质机制为滑流。


该研究不仅为高稳定性二维膜的结构设计提供了有益的参考,同时也加深了人们对水分子在纳米孔道中传质的理解,相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。


该论文作者为:Yanjie Wang, Dr. Libo Li, Dr. Yanying Wei, Jian Xue, Huang Chen, Li Ding, Prof. Dr. Jürgen Caro, Prof. Haihui Wang

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Water Transport with Ultralow Friction through Partially Exfoliated g-C3N4 Nanosheet Membranes with Self-Supporting Spacers

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8974, DOI: 10.1002/anie.201701288


导师介绍

王海辉

http://www.x-mol.com/university/faculty/16827

课题组主页

http://www2.scut.edu.cn/cee/msem/


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