Een internationale groep onderzoekers heeft 2D nanosheets van boornitride gerangschikt, het "witte grafeen", in membranen met een significant niveau van geleidbaarheid en chemische en thermische stabiliteit tot 90°C.

Het bereiken van een verhoogde snelheid van ionenstroom door kanalen en poreuze membranen is belangrijk voor een reeks toepassingen, zoals energieopslag en waterontzilting, maar het is uitdagend.

De samenwerking van onderzoekers van Deakin University en ANSTO in Australië, de Sorbonne in Frankrijk en de Drexel University in de VS, heeft zojuist de studie gepubliceerd in The Tijdschrift van de American Chemical Society .

Boornitride nanosheets zijn meestal hydrofiel en het team gebruikte inzicht in de nanosheet-interacties in oplossing tijdens een filtratieproces om nanosheets zelf te laten assembleren tot de speciale structuur in waterige oplossing.

ANSTO-instrumentwetenschapper Chris Garvey en Guang Wang, een AINSE Post Graduate Research Award-ontvanger van Deakin University, gebruikte kleine hoek röntgenverstrooiing (SAXS) bij de Australische Synchrotron als een structureel hulpmiddel om het materiaal te onderzoeken en de nanofluïdische kanalen in een droog en volledig gehydrateerd boornitridemembraan te karakteriseren.

"Door de interactie van de nanodeeltjes in oplossing konden de nanosheets zichzelf assembleren tot materiaal met een interessante structuur als een dunne film met verbeterde geleidbaarheid, ’ legde Garvey uit.

"Terwijl u het water verwijdert tijdens het fabricage-/filtratieproces, de deeltjes komen dichter bij elkaar en de interacties tussen de deeltjes worden belangrijk in het zelfassemblageproces en de uiteindelijke structuur, ' zei Garvey.

De boornitride nanosheets stapelden zich op een goed uitgelijnde manier op en vormden een lamellaire membraanstructuur.

Duizenden parallelle spleetvormige ionkanalen vormden zich in een bepaalde oriëntatie op het membraan en fungeerden als een nanofluïdische leiding.

"In tegenstelling tot een elektronenmicroscoop, met SAXS kun je in een materiaal kijken en zien hoe het in elkaar zit, we kunnen zien wat er gebeurt als je water en zout in een nano-compartiment doet, ' zei Garvey.

Met metingen bij de Australian Synchrotron bij de SAXS-bundellijn konden ze de gemiddelde afstand tussen de lagen bepalen.

"De röntgenstraal, die ongeveer 200-300 micron in diameter is, is zeer geschikt voor het analyseren van een groot aantal nanolagen, het geven van een statistisch perspectief op structuur, ' zei Garvey.

SAXS-metingen loodrecht op de straal wezen op een gebrek aan structurele orde langs de laterale richting van het membraan, die ook was gemeld voor nanosheets van grafeenoxide.

Het algehele structurele perspectief suggereerde dat de ionen werden uitgesloten van de binnenruimten van de kanalen in het membraan.

Metingen parallel aan het boornitridemembraan stelden hen in staat om te bepalen dat watermoleculen en ionen in de kanalen tussen de lagen achterbleven.

De manier waarop ionen door de vloeistofkanalen op nanoschaal gaan, verschilt aanzienlijk van de manier waarop ionen door de bulk gaan.

De auteurs concludeerden dat een negatieve oppervlaktelading op het grensvlak tussen de kanaalwand en de elektrolyt een belangrijke rol bleek te spelen bij ionentransport.

Garvey zei dat de fysica van filtratieprocessen niet goed werd begrepen, met meer begrip dat relevant is voor veel toepassingen, zoals de assemblage van deze materialen, maar ook het gedrag van kleigronden.

Boornitridemembranen kunnen een aantrekkelijke en veelbelovende vervanging zijn voor de huidige 2D-nanomaterialen die onderhevig zijn aan zware omstandigheden.