Crédit :Université de Manchester
Un groupe international de chercheurs a organisé des nanofeuillets 2D de nitrure de bore, le "graphène blanc", en membranes avec un niveau significatif de conductivité et de stabilité chimique et thermique jusqu'à 90°C.
L'obtention d'un débit d'ions amélioré à travers les canaux et les membranes poreuses est importante pour une gamme d'applications, comme le stockage d'énergie et le dessalement de l'eau, mais c'est difficile.
La collaboration de chercheurs de l'Université Deakin et de l'ANSTO en Australie, la Sorbonne en France et l'Université Drexel aux États-Unis, vient de publier l'étude dans The Journal de l'American Chemical Society .
Les nanofeuillets de nitrure de bore sont généralement hydrophiles et l'équipe a utilisé une compréhension des interactions des nanofeuillets en solution au cours d'un processus de filtration pour permettre aux nanofeuillets de s'auto-assembler dans la structure spéciale en solution aqueuse.
Chris Garvey, scientifique en instrumentation de l'ANSTO et Guang Wang, récipiendaire d'une bourse de recherche post-universitaire de l'AINSE de l'Université Deakin, utilisé la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) au synchrotron australien comme outil structurel pour sonder le matériau et caractériser les canaux nanofluidiques dans une membrane de nitrure de bore sèche et entièrement hydratée.
"L'interaction des nanoparticules en solution a permis aux nanofeuillets de s'auto-assembler en un matériau avec une structure intéressante en tant que film mince avec une conductivité améliorée, " expliqua Garvey.
"Lorsque vous retirez l'eau pendant le processus de fabrication/filtration, les particules se rapprochent et les interactions entre les particules deviennent importantes dans le processus d'auto-assemblage et la structure finale, " dit Garvey.
Les nanofeuillets de nitrure de bore se sont empilées de manière bien alignée et ont formé une structure de membrane lamellaire.
Des milliers de canaux ioniques en forme de fente parallèle se sont formés dans une orientation particulière sur la membrane qui a agi comme un conduit nanofluidique.
a) Schémas XRD d'une membrane BN sèche et d'une membrane BN entièrement hydratée, avec (002) et (004) pics de diffraction à 26,7° et 54,9°, respectivement. (b) Modèles SAXS unidimensionnels (1D) de membranes BN sèches et entièrement hydratées alignées perpendiculairement et parallèlement au faisceau de rayons X, motifs empilés par décalage par rapport à l'échelle d'intensité. (c, d) Schémas montrant la position parallèle (c) et perpendiculaire (d) de la membrane BN dans l'analyse SAXS. Crédit :Fonds national suisse de la recherche scientifique
« Contrairement au microscope électronique, avec SAXS vous pouvez regarder à l'intérieur d'un matériau et voir comment il est assemblé, on peut voir ce qui se passe quand on met de l'eau et du sel dans un compartiment nanométrique, " dit Garvey.
Les mesures effectuées au synchrotron australien sur la ligne de lumière SAXS leur ont permis de déterminer l'espacement moyen entre les couches.
"Le faisceau de rayons X, qui est d'environ 200-300 microns de diamètre, est bien adapté à l'analyse de nombreuses nanocouches, donner une perspective statistique sur la structure, " dit Garvey.
Les mesures SAXS perpendiculaires à la poutre ont indiqué un manque d'ordre structurel le long de la direction latérale de la membrane, qui avait également été rapporté pour des nanofeuillets d'oxyde de graphène.
La perspective structurelle globale suggérait que les ions étaient exclus des espaces intérieurs des canaux de la membrane.
Des mesures parallèles à la membrane de nitrure de bore leur ont permis de déterminer que les molécules d'eau et les ions restaient dans les canaux intra-couche.
La façon dont les ions traversent les canaux fluidiques à l'échelle nanométrique est significativement différente de la façon dont les ions traversent la masse.
Les auteurs ont conclu qu'une charge de surface négative à l'interface entre la paroi du canal et l'électrolyte jouait un rôle important dans le transport des ions.
Garvey a déclaré que la physique des processus de filtration n'était pas bien comprise, avec une compréhension plus approfondie ayant une pertinence pour de nombreuses applications, comme l'assemblage de ces matériaux mais aussi le comportement des sols argileux.
Les membranes en nitrure de bore pourraient être une alternative intéressante et prometteuse aux nanomatériaux 2D actuels soumis à des conditions difficiles.
