August 12, 2022

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Graphenoxid-Membranen offenbaren ungewöhnliches Verhalten von Wasser im Nanobereich

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Lassen mehr Poren in einem Sieb mehr Flüssigkeit durch? Wie Materialwissenschaftler herausgefunden haben, könnte diese scheinbar einfache Frage im Nanomaßstab eine unerwartete Antwort geben – und sie könnte wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung der Wasserfiltration, der Energiespeicherung und der Wasserstoffproduktion haben.

Forscher aus UNSW Sydney, Universität Duisburg-Essen (Deutschland), GANIL (Frankreich) und Toyota Technological Institute (Japan), die mit Membranen aus Graphenoxid (GO) experimentierten, fanden heraus, dass auf nanoskopischer Ebene das Gegenteil passieren kann. Die Forschung, veröffentlicht in Nano-Buchstabenzeigt, dass die chemische Umgebung des Siebs und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit eine überraschend wichtige Rolle bei der Permeabilität spielen.

Die Forscher beobachteten, dass eine höhere Porendichte nicht zwangsläufig zu einer höheren Wasserdurchlässigkeit führt – mit anderen Worten, mehr kleine Löcher lassen Wasser nicht immer durch. Die von der Europäischen Union und der Humboldt-Forschungsstiftung geförderte Studie wirft ein neues Licht auf die Mechanismen, die den Wasserfluss durch GO-Membranen steuern.

„Wenn man immer mehr Löcher in ein Sieb macht, erwartet man, dass es wasserdurchlässiger wird. Aber überraschenderweise ist dies das Gegenteil von dem, was in unseren Experimenten mit Graphenoxid-Membranen passiert ist“, sagt Associate Professor Rakesh JoshiErstautor der Studie Schule für Materialwissenschaft und -technik, UNSW-Wissenschaft.

Veränderung der chemischen Umgebung

GO ist eine extrem feine Form von Kohlenstoff, die sich als vielversprechendes Wasserreinigungsmaterial erwiesen hat. Die chemische Verbindung besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, an die Sauerstoff- und Wasserstoffatome gebunden sind. Wenn Sie sich vorstellen, LEGO-Steine ​​auf Ihrem Boden zu verstreuen, wären der Boden die Kohlenstoffatome und die Sauerstoff- und Wasserstoffatome die LEGO-Steine.

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In der Chemie können Moleküle sogenannte „funktionelle Gruppen“ haben, die entweder hydrophob (Wasser abweisend) oder hydrophil (Wasser anziehend) sind. Graphenporen können auch hydrophob oder hydrophil sein.

„Überraschenderweise ist für den Wasserfluss (Fluss von Wasser durch eine Membran) nicht die Anzahl der Poren entscheidend, sondern ob die Poren hydrophob oder hydrophil sind“, sagt Doktorand Tobias Foller von der UNSW Scientia und Hauptautor der Studie. „Das ist sehr unerwartet, weil GO-Schichten nur ein Atom dick sind. Wasser soll einfach durch die Poren fließen, unabhängig davon, ob sie Wasser anziehen oder abstoßen.

Tobias Foller, Scientia-Doktorand, und Prof. Rakesh Joshi. Foto: UNSW Sydney.

Trotz des Vorhandenseins vieler kleiner Löcher in den in der Forschung verwendeten GO-Filtern zeigten sie im Fall von hydrophoben Poren eine vollständige Wasserblockierung.

„Bei Filtern erwartet man normalerweise mehr Wasserfluss mit mehr Löchern. Aber in unserem Fall, wo wir mehr Löcher haben, ist der Wasserfluss geringer, und das liegt an der chemischen Natur von Graphenoxid-Löchern, die in diesem Fall wasserabweisend sind.“ sagt Professor Marika Schleberger, Co-Autorin der Studie aus Duisburg, Deutschland.


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Ungewöhnliche Effekte der Oberflächenspannung

Die Forscher sagen auch, dass die Oberflächenspannung auch zur Wechselwirkung von Wasser mit GO-Poren beiträgt. Oberflächenspannung entsteht, weil Moleküle wie Wasser aneinander haften wollen. Wenn es auf einen ausreichend kleinen Raum beschränkt ist, können die Bindungen zwischen Wasser (Kohäsion) und umgebenden festen Oberflächen (Adhäsionskraft) wirken, um Wasser zu verdrängen. Dies erklärt, wie Bäume die Schwerkraft überwinden können, um Wasser von ihren Wurzeln, von ihren Kapillaren zu ihren Blättern zu bringen.

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In GO-Membranen – wo die „Kapillaren“ in diesem Fall Poren im Maßstab von 1 Millionstel Millimeter oder weniger sind – verhindern genau die Kräfte, die Wasser durch Baumkapillaren klettern lassen, dass es durch die Poren der Membran fließt.

„Wenn Wasser in möglichst kleinen Kapillaren – nur wenige Atome groß – eingeschlossen ist, ziehen sich die Wassermoleküle so stark an, dass sie ein dichtes Netzwerk bilden. Ungestört ist dieses Netzwerk so stark, dass es Molekülen nicht erlaubt, sich zu lösen und das Sieb zu passieren, selbst wenn man die Anzahl der Poren erhöht“, sagt Foller.

Feinstsiebe aus unterschiedlichen Materialien haben ein breites Anwendungsspektrum. Die Forscher sagen, dass ihre Ergebnisse Wissenschaftlern helfen werden, den Flüssigkeitstransport in Atomsieben zu verfeinern, und könnten Entwicklungen wie hochpräzise Wasserfiltersysteme vorantreiben.

„Indem wir verstehen, welche Parameter den Wasserfluss erhöhen oder verringern, können wir viele mögliche Anwendungen von Graphenoxid für die Wasserreinigung, Energiespeicherung, Wasserstoffproduktion und mehr optimieren“, sagt Foller. „Wir hoffen, dass andere Ingenieure und Wissenschaftler dieses neue Wissen nutzen können, um ihre eigenen Geräte zu verbessern und in Zukunft zu neuen Entwicklungen zu führen.“

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