JACS：具有高離子電導率的BN二維納米流體通道

【引言】

二維六方氮化硼（h-BN）納米片是由B和N原子以sp²成鍵方式雜化形成的蜂窩狀結構，因此被稱為“白石墨烯”。氮化硼具有寬帶隙、高熱導率、穩定性、抗氧化性等優異的物理化學性能。BN納米片通常是疏水的，因此難以在水中形成均一穩定的膠體分散液，作者團隊通過尿素輔助一步球磨法制備了氨基封端修飾可均勻分散于水中的BN納米片，并且成功組裝成能夠自支持的層層堆疊的BN膜（Nat. Commun. 2015, 6, 8849）。

離子在納米流體通道中的傳輸途徑與塊體材料不同，通道內壁的表面電荷影響著離子的輸運，例如，基于靜電作用，通道內壁會吸引相反電荷的離子，排斥同種電荷離子。因此，隨著抗衡離子濃度升高，通道表面會形成雙電層，雙電層能夠有效排斥通道中的同種電荷離子，從而控制電流/電導。

【成果簡介】

最近，澳大利亞迪肯大學的Ying (Ian) Chen教授和類偉巍博士（共同通訊）在期刊JACS上發表題為“High and Stable Ionic Conductivity in 2D Nanofluidic Ion Channels between Boron Nitride Layers”的文章。研究表明，離子能夠快速通過水合BN膜片層間的二維通道，BN納米片分散液通過減壓抽濾法組裝而成的BN膜，在低鹽濃度條件下，納米片表面電荷能夠產生離子電流，其離子電導率比塊體材料增大幾個數量級。此外，BN離子通道膜組裝的納米流體器件在高溫（90℃）和強酸堿溶液（pH~0或14）中具有優異的穩定性，在納米流體器件和膜分離方面具有潛在的應用價值。

[注：小編未能找到通訊作者Ying (Ian) Chen的確切中文名，在此表示誠摯的歉意!]

【圖文導讀】

圖1. 一步球磨法得到的BN納米片結構表征

a) b)少數層BN納米片膠體分散液的光學照片及原子力顯微鏡照片。

c) d) 自支持的BN膜光學照片及掃描電鏡截面照片。

圖2. BN納米流體通道的組裝與離子傳導測試

a) b) BN納米流體通道作用示意圖和實物圖。

c) 不同濃度NaCl溶液的I-V曲線。

d) 中性條件下BN納米流體通道器件的離子電導率測試。

圖3. BN膜的層間距表征

a) b) 水合的BN膜與干BN膜的XRD與SAXS譜圖對比，說明少層的BN納米片之間存在2-3層水分子的厚度，可供離子傳輸擴散。

c) d) BN膜SAXS（小角X射線散射）的測試示意圖。

圖4. 強酸堿條件下，BN膜納米通道的離子電導率測試

a) b) 堿性條件下（KOH）溶液的IV曲線及離子電導率測試。

c) d) 酸性條件下（HCl）溶液的IV曲線及離子電導率測試。

【小結】

文中通過一步球磨法制備了-NH₃和-B-OH封端修飾的BN納米片，其能夠在水溶液中均勻分散并抽濾組裝成均勻致密的BN膜。同GO膜類似，抽濾過程中納米片相互堆疊形成了二維的納米級毛細通道，可供水分子和離子擴散。經過對BN納米流體通道器件離子電流的和溶液離子電導率的測試發現，在低鹽濃度的條件下，體系會導致溶液離子電導率的增大，并具有強酸堿和高溫條件下的穩定性。

?文獻鏈接：High and Stable Ionic Conductivity in 2D Nanofluidic Ion Channels between Boron Nitride Layers?（J. Am. Chem. Soc，2017，DOI: 10.1021/jacs.6b11100）

本文由材料人納米學術組大嘴巴荼荼供稿，材料牛編輯整理。

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