二维膜的精密构筑和结构调控策略综述

膜分离技术效率高、能耗低,在水处理和气体分离等领域有重要应用。二维膜是一类新兴的分离膜,由高横纵比的二维纳米片组装而成,成膜容易、力学性能好、结构可设计、可调控;在实验室范围内实现了有机溶剂脱水、纳滤、离子截留、气体筛分等领域的高效分离,有望突破传统分离膜的性能上限;但目前对二维膜的研究仍处于初期阶段。如何对二维膜进行精密构筑和结构调控,以优化其分离性能,使之针对不同的分离体系、在各分离尺度达到理想的分离效果仍具挑战。面对如何提高二维膜的渗透性、选择性和稳定性这三项性能评价指标,本文综述了系列二维膜的精密构筑和结构调控方法,包括离子交联、客体材料插层、表面改性等,分别从二维膜的层间距调控、二维纳米片相互作用关系的调节、二维膜的通道有序性等方面设计与构筑二维膜的分离通道,以实现二维膜分离性能的全面提升。

氧空位对ZnO基(110)二维膜材料电子结构的影响研究

在密度泛函理论方法的基础上,系统研究了本征氧化锌和氧空位氧化锌的(110)二维膜材料的形成和电子结构性质.计算分析结果表明,ZnO的本征(110)二维膜比氧空位的(110)二维膜稳定性高,ZnO的(110)二维膜有失去氧的倾向.本征ZnO的(110)膜为直接带隙型材料,带隙宽度为2.3 eV,氧空位(110)膜为间接带隙型材料,带隙宽度为1.877 eV.氧空位的(110)膜导带向下移动,并且导带中的能级简并化.氧空位(110)膜材料的导带底能级有2个能谷,分别位于1.877 eV和1.88 eV,这些位置的能级有效质量比本征膜大幅度增大,这些位置的电子速度普遍较低.ZnO的(110)膜产生氧空位之后,Zn的s电子参与形成其价带顶能级.氧空位(110)膜材料中Zn-O键的混合型结合倾向增大.

基于刻蚀技术制备二维膜的研究进展

二维纳米材料是膜材料中一类重要的掺杂材料和膜构筑单元。在二维材料发展过程中,科研人员利用其固有孔洞或刻蚀造孔等方法,实现了对分子、离子的精准筛分。基于刻蚀技术制备的二维纳米多孔膜具有超薄厚度、高比表面积和优异的筛分性能,具有广泛的应用前景。本文以二维膜多重传质机理为出发点,重点介绍近年来二维纳米材料膜的造孔方法及研究进展,并对二维纳米多孔膜的发展进行了展望,期望对基于刻蚀技术制备二维纳米材料多孔膜的设计提供清晰思路。

面向水处理应用的二维MXene膜研究进展

MXene纳米片材料因其二维结构特性和丰富的表面基团而受到广泛关注。MXene纳米片组装成的二维层状膜,通过尺寸筛分效应和静电相互作用可实现溶液中小分子和离子等分离,在水处理领域有着巨大的应用潜力。然而,二维层状MXene膜仍然面临着严峻的挑战,如低稳定性、高内阻、水环境中易溶胀等,导致分离性能不理想。本文以层状MXene膜的分离机理为出发点,重点介绍了目前改善层状MXene膜分离性能的方法及研究进展,并对二维MXene膜水处理应用发展进行展望,期望对基于MXene膜的精密构筑和设计高性能分离膜提供有益参考。

氧化脱氢偶联反应在液液界面制备二维共轭聚合膜

以5,10-二氢-5,10-二甲基吩嗪和吩噻嗪为单体,在三氯化铁+浓硫酸、过硫酸钾、高锰酸钾、高锰酸钾+浓硫酸等四种不同催化剂存在的条件下,探究其是否能进行自身氧化脱氢偶联反应,并且在液液界面上合成二维共轭聚合膜。该反应具有操作简单、反应条件温和等特点。对于反应产物二维共轭聚合膜,利用光学显微镜及扫描电子显微镜对其表面形貌进行了表征,并进一步通过红外光谱、X射线光电子能谱和X射线衍射仪表征其结构特征。

二维沸石纳米片的合成及其分离膜研究现状

二维(2D)纳米片堆叠构建的层状分离膜的出现为下一代高效膜分离技术开辟了新途径.2D沸石纳米片具有纳米级别的厚度及较大的横纵比,其面内规整孔道为分子传质提供了丰富的路径,并可有效缩短传统无孔纳米片堆叠构筑的二维膜内分子绕行的传质路径,有望用于制备具有优异分离性能的二维材料膜.本文综述了2D沸石纳米片的合成方法及沸石纳米片膜的研究进展,重点介绍了2D沸石纳米片合成方法,包括表面活性剂辅助合成、沸石层状前驱体剥离和Assembly-disassembly-organization-reassembly(ADOR)法,以及2D沸石纳米片膜的制备方法及其在膜分离中的应用,最后对该领域当前的技术局限性和未来的研究方向进行展望.

二维层状膜在离子传质与分离方面的研究进展

二维层状膜由二维纳米片的层层堆叠而成,由于相邻纳米片之间二维毛细通道展现出的选择性传质特性,受到研究者广泛关注。从对二维层状膜的溶胀现象出发,系统总结了纳米通道尺寸调控策略,并分析了其他尺寸因素对离子传输行为的影响,总结了通道表面电荷以及特异性结合基团与离子传输与分离效率的关系。综述了近几年有关二维层状膜在离子传质与分离方面的研究现状、进展以及存在问题,旨在为高性能离子筛分层状膜的结构设计和应用提供理论参考。

二维MXene纳米通道膜的制备及分离性能

水资源短缺是制约社会和工业发展的关键挑战之一,二维(2D)纳米材料构筑的分离膜在水处理领域表现出潜在的应用前景,具有良好的分离性能和可调控的微结构.为了解决二维材料膜存在的制备困难和易溶胀等问题,本研究以多孔氧化铝(Al_(2)O_(3))为载体,利用真空抽滤技术引入孔径为0.34μm的改性碳纳米管(CNTs)过渡层,为膜层制备提供更多结合位点和静电结合力,在此过渡层上采用真空抽滤-热交联(180℃)技术制备出了二维MXene(Ti_(3)C_(2)T_(x))材料分离膜,尽管热交联降低了纳米通道尺寸和渗透性,但提高了抗溶胀性.所制备MX-180膜纳米通道尺寸为5.0A,在0.1至0.5 MPa压力下的纳滤测试中,MXene膜的纯水渗透量为8.3±2.5L/(m^(2)·h·MPa),对KCl、NaCl、MgCl_(2)和四环素截留率达到67.87%、79.99%、85.66%和91.34%,具有良好的分离性能和抗溶胀稳定性.

二维线性弹性动态膜壳和弯壳的形式渐进展开(英文)

利用形式渐进分析 ,我们从三维线性动态方程组得到二维膜壳和弯壳的方程组 .

二维蛭石膜的制备及其水中稳定性研究

通过二价阳离子与带负电的蛭石(VMT)片层之间的静电作用力,制备了具有稳定层间距的蛭石膜。利用SEM和EDX考察了VMT-Li膜和VMT-Ca膜的形貌结构及VMT-Ca膜的元素分布,考察了VMT-Li膜和VMT-Ca膜的稳定性及层间距变化,并测试了膜的水蒸汽扩散通量。结果表明,VMT-Li膜和VMT-Ca膜均具有典型的层状结构,膜表面平整无明显缺陷。VMT-Ca膜在水溶液和盐溶液中均具有良好的稳定性,VMT-Li膜和VMT-Ca膜的水蒸汽扩散通量分别为24.12、18.17 g/(h·m^(2))。该工作为后续研究蛭石膜层间离子传输奠定了基础。

沿倾斜壁面下降的蒸发/冷凝降膜二维表面波的线性稳定性

基于边界层理论和完整的边界条件 ,采用Collocation方法 ,推导出了沿倾斜璧面下降的在蒸发、等温和冷凝状态下普遍适用的二维降膜表面波扰动时域演化方程 ,并分析了不同因素的影响 .结果表明 :蒸发不利于稳定 ,冷凝有利于稳定 ,在蒸发状态下 ,热毛细力导致其失稳 ,在冷凝状态下 ,则促进其稳定 ;表面张力有促进流动稳定的作用 ,液膜的稳定性随倾角和雷诺数的增大逐渐减小 ,随Ka数的增大逐渐加强 ;在小雷诺数下 ,液膜的稳定性主要取决于蒸汽压力和热毛细力的变化 ,在高雷诺数下 ,则取决于惯性力 ;流体物性和壁面倾角在整个雷诺数范围内对液膜的稳定性起着非常重要的作用 .

刚性环状低聚物的二维有序单分子膜结构

The spreading behavior of new type of chiral and achiral rigid cyclic oligomer on the water surface was investigated by measuring the surface pressure(π) area( A ) isotherms, with the aim of comparison of new type LB films of chiral and achiral rigid cyclic oligomers. Molecular resolution atomic force microscope images of the Langmuir Blodgett(LB) film was observed and the structure of their two dimensional crystals on the basal plane of mica was studied.

微氧化MXene/MoS_(2)复合膜分离净化效能及稳定性增强机制研究

二维纳米材料由于优异的理化性质和易于调控的特点,在新型膜材料的开发与应用中受到了广泛关注.基于二维材料层层堆叠可以制备二维膜,而如何对二维膜进行结构性能上的改进是目前该领域聚焦的前沿问题.MXene膜是一种新型二维膜,在分离净化领域具有较大应用潜力.然而,目前MXene膜的分离净化效能主要受到膜的结构稳定性和改性方法的限制.本研究采用了通过异质纳米材料MoS_(2)插层,随后进行温和且快速预氧化,可获得稳定的纳米层状结构,从而得到一种MXene(Ti_(3)C_(2)Tx)/MoS_(2)高性能复合膜.MXene/MoS_(2)复合膜的水通量显著提高,对目标污染物染料的去除率高达99.9%.与未氧化的MXene膜相比,复合膜对NaCl和MgCl_(2)的渗透抑制效率分别提高了48.4%和82.0%.此外,复合膜在结构/外观和通量方面表现出长期的稳定性.因此,利用预氧化/插层法制备的复合膜对MXene膜结构调控和性能优化提供了新策略和新思路.

毛细作用力法制备二维有序聚(苯乙烯-N-异丙基丙烯酰胺)膜

微波辐射条件下,苯乙烯(St)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)经无皂乳液聚合,制得单分散聚(苯乙烯-N-异丙基丙烯酰胺)微球;用扫描镜(SEM)观察了微球表面形态和大小;将一定浓度的微球分散液通过毛细力作用,在玻璃基片上制备二维有序聚合物膜,并用原子力显微镜(AFM)探针表征二维薄膜的形态。

CD-MOF二维层状膜制备及混合溶剂精准分离研究

随着膜分离技术的迅速发展,其应用于混合溶剂分离以替代传统高能耗精馏等操作受到了越来越多研究者的关注,但制备具有均匀亚纳米筛分孔的分离膜是其面临的挑战。利用苯甲酸诱导各向同性的环糊精金属有机框架(CD-MOF)三维立方颗粒产生错层结构,再通过液相超声剥离法制得CD-MOF纳米片,以此为构筑单元制备二维层状MOF膜。膜内CD-MOF纳米片含有丰富、连通且均匀的本征亚纳米孔(0.78 nm),可识别分子间微小的尺寸差异,实现混合溶剂精准分离。如CD-MOF层状膜对溶解在苯中的均三异丙基苯与二异丙基苯混合液(摩尔比为1∶3)的分离因子达到7.4。此外,膜对溶解在甲醇中的甲基橙染料(1.0 nm)截留率达到99.6%,且甲醇通量达84.3 L·m^(-2)·h^(-1)·bar^(-1)。

水汽界面二维银颗粒表面上的单分子拉曼光谱检测

We have found that the silver colloids, which usually used as SERS active substrate, are inclined to aggregation on air water interface and forming a two dimension silver particle films. The formed silver particle films exhibit much higher surface Raman enhancement factor than silver colloids, and the power used on silver particle films is only about 1% of that on silver colloids. Combining with resonance Raman enhancement technique, we realize single molecular Raman detection under the common conditions by using this silver particle films as SERS active substrate.

镧离子插层MoS_(2)膜的制备及印染高盐水处理

二维材料具有独特的层状结构、稳定的物理化学性质等特点。近年来,由二维材料层层堆叠构成的二维膜在膜分离领域展示了非同凡响的应用潜力。本文采用成膜中共混方法将La^(3+)插入到MoS_(2)膜层间,利用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱仪(XPS)技术表征了MoS_(2)片层结构和成分;利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)技术表征了膜结构与层间距;通过加压过滤装置和渗透装置考察了La^(3+)-MoS_(2)膜的渗透截留性能。实验结果表明,La^(3+)插层改性后的MoS_(2)膜由于层间距增加而显著地提高了纯水通量,La^(3+)-MoS_(2)膜的纯水通量相较于MoS_(2)膜提高了约18.5倍。La^(3+)-MoS_(2)膜对分子量300~800g/mol染料表现出了基于空间位阻理论的截留作用,对金属离子(Na^(+)、K^(+)、Mg^(2+)、Ca^(2+)表现出了基于Donnan排斥理论的截留作用。重复性实验中,La^(3+)-MoS_(2)膜对Na^(+)的截留率仍能维持在95%以上,表现出了良好的性能稳定性。

MoS_(2)复合膜的制备及其透水性能研究

采用共混真空抽滤的方式构建了一系列不同二茂铁含量的MoS_(2)复合膜,利用XRD研究了MoS_(2)膜在二茂铁分子支撑作用下的层间距,考察了不同二茂铁含量下MoS_(2)膜的水相稳定性,研究了MoS_(2)复合膜的透水性能。结果表明,当二茂铁质量分数为33%时,水分子传质速率可提升至214 g/(m^(2)·h)。

二维亚波长结构对OLED光抽出特性的FDTD模拟研究

有机发光二极管(OLED)发光效率很大程度上受到器件中高折射率材料(ITO/有机物)对导波光能量的制约。通过使用时域有限差分(FDTD)方法,对在OLED中的氧化铟与氧化锡复合透明阳极ITO结构上覆盖二维正方以及三角排列SiNx圆柱光子晶体厚膜(PCS)的结构进行了数值模拟,并对这种全新结构对于提高束缚于高折射率材料中的光的抽取效率的效果进行了分析,并给出了最优化的几何参数。

二维材料气体分离膜及其应用研究进展

二维材料气体分离膜由于其独特的分子输运特性,在渗透率、选择性方面表现出优于传统薄膜的优势,具有巨大的发展潜力.石墨烯类、二维金属有机骨架、二维过渡金属碳化物/碳氮化物等二维材料中存在的亚纳米尺度空间为分子输运提供了特殊的通道,包括纳米孔和纳米通道,它们是高渗透性和高选择性分子筛选的根本原因.然而,二维材料薄膜在复杂工业环境中的不稳定性、难以进行大面积制备等使其实际应用受到了很大的局限,目前二维材料膜尚未大规模应用于工业生产中.本文选择性地对当前研究的热点二维材料气体分离膜研究现状进行总结,同时对其在CO_(2)捕获和分离、H_(2)分离和提纯、天然气提氦等领域的具体应用进行阐述,并且探讨了二维材料气体分离膜当前所面临的挑战与未来发展前景.