Изучив мембраны в тканях живых организмов, ученые объединили арамидные нановолокна, используемые в кевларе, с нитридом бора, которая одновременно прочна, как кость, и пригодна для переноса ионов, как хрящ, чтобы создать мембрану для сбора энергии океана . Исследование, опубликованное 18 декабря 2019 года в журнале Joule, преодолевает основные проблемы проектирования технологий, использующих осмотическую энергию (разность давления и градиента солености между пресной и океанической водой) для получения экологически чистой и широко доступной возобновляемой энергии.
Осмотические генераторы энергии менее изменчивы, чем солнечные и ветряные электростанции, что делает их более надежными, чем "зеленые" энергетические установки. Однако широко используемые в мембранах наноматериалы - глина, графеноксид, максен (MXene) и дисульфид молибдена - имеют тенденцию к разрушению и распаду в воде.
В то время как нанолисты из нитрида бора в последнее время показали многообещающие результаты, оставаясь стабильными при повышении температуры и не вступая в реакцию с другими веществами, мембраны, изготовленные только из нитрида бора, не достаточно прочны, чтобы выдерживать воду в течение длительного времени, быстро начинают пропускать ионы по мере того, как в них образуются микроскопические трещины.
"Новые передовые композитные мембраны из нитрида бора с новыми и прочными свойствами решат эту проблему, которая сейчас пользуется большим спросом" - говорит Вэйвэй Лей (Weiwei Lei), ведущий научный сотрудник этого проекта в Австралии, старший научный сотрудник Института пограничных материалов (IFM) при Университете Дикина.
"Осмотическая энергия представляет собой огромный ресурс для человечества, но ее реализация сильно ограничена наличием высокоэффективных ионоселективных мембран" - говорит Николас Котов, ведущий ученый США, профессор инженерных наук Мичиганского университета.
Лей, Котов и их коллеги поставили перед собой задачу решить эту проблему, обратившись к тканям живых существ как к образцу, заметив, что для облегчения биологических реакций в их организме необходимо множество различных разновидностей высокоэффективных ионоселективных мембран. Они отметили, что в то время, как мягкие ткани, такие как хрящи, почечные мембраны и опорные мембраны, пропускают ионы с легкостью, они слабые и хрупкие. Кости же, напротив, исключительно прочны и жестки, но без преимущества эффективного переноса ионов.
"Мы нашли способ "соединить" эти два типа материалов, чтобы получить оба свойства одновременно, используя арамидные нановолокна, которые делают гибкие волокнистые материалы похожими на хрящи, и нитрид бора, который делает пластинки похожими на кость", - говорит Котов.
"Наши био-контрастные нанокомпозитные мембраны имеют определенные преимущества, такие как высокая прочность и легкость в изготовлении, а также обладают большей многофункциональностью, чем мембраны, изготовленные из одного материала" - говорит Лей.
Исследователи построили гибридную мембрану с использованием метода послойной сборки - метода воссоздания слоистых сложных композитов, который особенно хорошо подходит для водных технологий. Для наблюдения за работой мембраны в одном из резервуаров арамидно-борного нитрида в растворе хлорида натрия, они применили давление и сравнили его с другими наноматериальными мембранами, обнаружив, что узость его каналов позволяет ему притягивать катионы натрия и отталкивать хлоридные анионы лучше, чем другие пористые композиты. Лей, Котов и его коллеги также неоднократно промывали мембрану в хлориде натрия в течение двадцати циклов для контроля ее стабильности, обнаружив, что она продолжает оптимально функционировать и через 200 часов.
"Наша новая композитная мембрана имеет регулируемую толщину и высокую стабильность при температурах от 0 до 95 градусов Цельсия и при pH от 2,8 до 10,8" - говорит Лей.
"Недорогие компоненты и долговечность мембраны делают добычу энергии океана реалистичной" - говорит Дэн Лю, ведущий автор статьи, также работающий в Deakin IFM.
В целом, исследователи пришли к выводу, что арамидно-борно-нитридная мембрана хорошо выдерживает широкий спектр условий, с которыми она может столкнуться при выработке осмотической энергии. Они также считают, что технология обладает высокой масштабируемостью, тем более, что оба ее компонента недороги. Арамидные нановолокна могут быть даже собраны из отбракованной ткани из кевлара.
"Это самые эффективные мембраны, известные в настоящее время", - говорит Котов. "Однако они еще не полностью оптимизированы. Потенциально можно получить еще лучшие показатели".
Эта работа была в была проведена при поддержке Australian Research Council Discovery Program и the Australian Research Council Discovery Early Career.