Вдохновленные мембранами в тканях тела живых организмов, ученые объединили арамидные нановолокна, используемые в кевларе, с нитридом бора, чтобы построить мембрану для сбора энергии океана, которая одновременно прочна, как кость, и подходит для переноса ионов, как хрящ. Исследование, опубликованное 18 декабря в журнале Joule, решает основные проблемы проектирования технологий, которые используют осмотическую энергию (разницу градиента давления и солености между пресной и океанской водой) для создания экологически чистой и широко доступной формы возобновляемой энергии.
Генераторы осмотической энергии меняются день ото дня меньше, чем солнечные и ветряные электростанции, что делает их более надежными, чем эти основные продукты экологически чистой энергии. Однако наноматериалы из глины, оксида графена, MXene и дисульфида молибдена, обычно используемые в мембранах, имеют тенденцию разрушаться и распадаться в воде.
В то время как нанолисты, сделанные из нитрида бора, недавно продемонстрировали многообещающие результаты, оставаясь стабильными при повышении температуры и трудно реагируя с другими веществами, мембраны, сделанные только из нитрида бора, также недостаточно выносливы, чтобы выдерживать воздействие воды в течение длительного времени. утечка ионов по мере образования микроскопических трещин.
«Новые усовершенствованные композитные мембраны из нитрида бора с новыми и надежными свойствами решат эту проблему, которая сейчас пользуется большим спросом», - говорит Вэйвэй Лей, ведущий научный сотрудник этого проекта в Австралии, старший научный сотрудник Университета Дикина. Институт пограничных материалов (IFM).
«Осмотическая энергия представляет собой огромный ресурс для человечества, но ее реализация сильно ограничена доступностью высокоэффективных ионоселективных мембран», - говорит Николай Котов (@kotov_group), ведущий научный сотрудник в США. профессор технических наук Мичиганского университета.
Лей, Котов и их коллеги решили решить эту проблему, обратившись к тканям живых существ в качестве чертежа, отметив, что для облегчения биологических реакций необходимо множество различных разновидностей высокоэффективных ионоселективных мембран. в их телах. Они отметили, что, хотя мягкие ткани, такие как хрящи, мембраны почек и базальные мембраны, легко пропускают ионы, они слабые и непрочные. Напротив, кости исключительно крепкие и жесткие, но не обладают преимуществами эффективного переноса ионов.
«Мы нашли способ «поженить» эти два типа материалов, чтобы получить оба свойства одновременно, используя арамидные нановолокна, которые делают гибкие волокнистые материалы, похожие на хрящи, и нитрид бора, который делает тромбоциты похожими на кость», Котов говорит.
«Наши нанокомпозитные мембраны, созданные на основе биотехнологий, обладают определенными преимуществами, такими как высокая прочность, простота изготовления и большая многофункциональность по сравнению с мембранами, изготовленными из одного материала», - говорит Лей.
Исследователи сконструировали гибридную мембрану, используя послойную сборку - метод воссоздания многослойных сложных композитов, который особенно хорошо работает для водных технологий. Они приложили давление к одному резервуару мембраны из арамид-нитрида бора в растворе хлорида натрия, чтобы наблюдать за ее течением, и сравнили ее с мембранами из других наноматериалов, обнаружив, что узость ее каналов позволяет ей притягивать катионы натрия и отталкивать анионы хлорида лучше, чем другие пористые мембраны. композиты. Лей, Котов и его коллеги также неоднократно промывали мембрану в хлориде натрия в течение двадцати циклов, чтобы контролировать ее стабильность, и обнаружили, что она продолжает функционировать оптимально через 200 часов.
«Наша новая композитная мембрана имеет регулируемую толщину и высокую стабильность при температуре от 0 до 95 градусов Цельсия и pH от 2,8 до 10,8», - говорит Лей.
«Недорогие компоненты и долговечность мембраны делают сбор энергии океана реалистичным», - говорит Дэн Лю, ведущий автор статьи, также из Deakin IFM.
В целом, исследователи пришли к выводу, что мембрана из арамид-нитрида бора хорошо подходит для того, чтобы выдерживать широкий диапазон условий, с которыми они ожидают столкнуться при генерировании осмотической энергии. Они также считают, что технология легко масштабируется, тем более что оба ее компонента недороги. Арамидные нановолокна можно собрать даже из выброшенной кевларовой ткани.
«Это мембраны с лучшими характеристиками из известных на сегодняшний день», - говорит Котов. «Однако они еще не полностью оптимизированы. Потенциально можно получить еще более высокую производительность».