離子徑跡法製備納米孔及其能量轉化與物質輸運研究

《離子徑跡法製備納米孔及其能量轉化與物質輸運研究》是依託北京大學，由王宇鋼擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：離子徑跡法製備納米孔及其能量轉化與物質輸運研究
• 依託單位：北京大學
• 項目負責人：王宇鋼
• 項目類別：重點項目

項目摘要

納米孔具有獨特的納流輸運性質。利用離子徑跡法製備高分子等納米孔，可控性強，相容性好，適合實際套用，而且內表面化學基團豐富、電荷密度高，易於修飾和改造，在分子檢測、模擬細胞膜離子通道的離子輸運和開關功能、實現能量轉化等方面顯示出獨特的優勢，成為國際上納米孔研究與套用的熱點。本項目屬核科學與材料/納米科學的交叉學科研究，將瞄準納米孔研究中的關鍵問題、重要套用和發展趨勢，在多年積累的離子徑跡法製備高分子等材料納米孔及其套用的研究基礎上，製備具有特殊功能的納米孔，特別是孔徑均勻、性質穩定的納米多孔體系和基於潛徑跡的分子尺度納米孔體系，實現納米孔體系的可控修飾和改造，研究納米孔體系中能量轉化和潛徑跡膜中的離子電導與物質輸運的新現象與規律，建立物理模型描述高分子材料潛徑跡形成新機理和潛徑跡在溶液中演變以及納流體系中的微觀輸運新機理，力爭在能量轉化、重金屬離子及毒性分子分離過濾等方面的套用上取得突破。

結題摘要

項目組對基於核徑跡的納米多孔薄膜材料開展了製備、表征及套用等方面的創新研究。發明了潛徑跡納米孔製備方法，克服了沿用60多年的核徑跡蝕刻納米孔製備技術的局限，成功製備了高密度、孔徑均勻且孔徑大小在1 nm左右的納米孔膜。所製備的潛徑跡納米孔膜在離子輸運上同時具有高分離比和超高通量：當孔徑尺寸在1 nm左右時，一價鹼金屬的輸運速率高達15 mol h-1m-2，K+/Mg2+離子的選擇性達到100左右，綜合輸運性能超越了包括二維材料在內的其它分離膜，在解決分離膜領域長期存在的分離比和輸運量的矛盾方面取得了突破。在納米孔的表征方面，發展了小角X射線散射、正電子湮滅壽命譜、小分子尺寸排阻法等方法測量納米孔結構，證實了潛徑跡納米孔存在1 nm左右的孔徑。並結合分子動力學模擬揭示了潛徑跡納米孔輸運機制：孔徑小於1 nm時，不同離子的輸運速率取決於其脫水程度，產生了極高離子選擇性；而孔徑在1 nm左右時，由於存在部分脫水和靜電效應的耦合，產生了豐富的離子選擇性輸運現象。在納米孔膜的套用方面，理論上系統分析了提高納米多孔體系在溶液中的能量轉化效率的規律：對於納流反電滲析系統，存在最佳的孔道長度，使功率密度達到最大。通過調控孔密度、孔徑和膜厚的協同效應，可以有效提升功率密度。在濃差發電的實驗中發現微蝕刻的潛徑跡納米孔膜轉化效率達到理論極值，蝕刻核徑跡的石墨烯和高分子複合膜具有最佳綜合效能：輸出能量密度21-126 W/m2，轉化效率39%。製備了通過原子沉積法修飾的高分子納米孔，發明了電容檢測法，極大提高了納米孔小分子檢測信噪比。 在本項基金的支持下，項目組發表16篇SCI收錄的論文，其中1篇Nature Communications，3篇Advanced Functional Materials，1篇Nano Energy，2篇Nanoscale。獲得國家發明專利1項，在國際會議上做了5次邀請報告。通過本課題的執行，5人獲博士學位（北京大學、廈門大學，其中3人獲得北京大學百篇優秀博士論文獎勵），2人獲得碩士學位（北京大學、廈門大學），2人獲得學士學位（武漢大學）。