2022-04-20 13:03

新的有前途的纳米凝胶可以连续分离化学物质

New promising nanogel separates chemicals continuously

来自乌得勒支大学的纳米材料科学家已经改进了一种纳米凝胶,它现在可以将单个分子从一种液体运输到另一种液体。“通过扩大两种液体之间的表面积,我们可以增加化学物质的交换。这项技术可以提高工业过程的能源效率,并为制造更好的太阳能电池开辟了可能性。”研究人员的论文最近发表在科学杂志《先进材料》上。

大的表面

物理化学家马丁·哈斯(Martin Haase)和他的研究小组正在研究制造所谓bijels的技术:两种不混合的液体的乳剂,就像油和水一样,被一层超薄的纳米颗粒层隔开,以稳定液体之间的表面。“在这种凝胶状材料中,两种排斥液体交织在一起,”哈斯解释说。“在两种液体的界面上,分子可以通过纳米层从一种液体移动到另一种液体。”

如果两种液体之间的界面有一个大的表面,这种凝胶的效果最好。哈斯:“我们自己的身体就展示了这种过程的很好的例子。想想我们的肺:它们吸入空气,空气中的氧气进入血液。它从空气通道运输到毛细血管。在bijel中,分子可以以类似的方式从一种液体交换到另一种液体。”

去除化学物质的温和方式

在博士研究员Mohd Khan和Alessio spprockel的帮助下,哈斯现在改进了制造这种bijels的技术。哈斯:“我在2015年发现了如何制作bijels。但我们对它的控制有限,我们的结构也不是很清楚。广州捐卵现在我们可以完全控制合成了。我们现在可以制造更小、更均匀的通道结构,让液体流过通道,并在流动过程中连续分离化学物质。”

New promising nanogel separates chemicals continuously左:有限公司 Nfocal显微镜显示,bijel由油(黑色)、水(品红)和超薄纳米颗粒层(绿色)组成。右图:扫描电子显微镜图像显示小通道。信贷:乌特勒支大学

为了制造一个bijel,乌得勒支大学Van 't Hoff物理和胶体化学实验室的科学家们使用了酒精和纳米颗粒,即直径只有20纳米的小玻璃球。哈斯:“油和水不能混合。然而,如果你加入酒精,它们实际上可以很好地混合。如果你随后将酒精从混合物中去除,这两种液体就会形成一个相互交织的液体通道。在这个过程中,纳米颗粒被油和水的界面吸附。一旦到达那里,它们就稳定了交织的油和水通道,形成了bijel。”

在将bijel用于工业分离之前,需要采取的一个重要步骤是收集分离出来的化学物质。哈斯:“就像血液流经肺部的毛细血管来获取氧气一样,水和油必须流经bijel来将提取的化学物质进出纳米凝胶。但由于bijel中的通道非常小,一个普通的泵将需要非常努力地推动。这将耗费大量能源,而且还会破坏脆弱的bijels。我们发现,液体可以通过一种称为电渗透的过程被泵入bijel,这是一种更温和的液体运输方式。”

New promising nanogel separates chemicals continuouslybijel是通过去除酒精后油和水的逐渐分离以及纳米颗粒在交织的油和水通道界面上的自组装而形成的。信贷:乌特勒支大学

可持续产业的纳米材料

据哈斯说,这项发明有可能在涉及化学品分离的工业过程中节约能源。“对我来说,在这个科学领域工作的动机是让化学工业更可持续。我们日常生活中使用的许多产品,例如塑料、汽油或药品,都需要在生产过程中进行净化。这需要大量的能量,因为混合物需要煮沸,这一过程通常被称为蒸馏。这种化学物质的分离消耗了全球15%的能源。所以我们需要找到更少能源消耗和排放更少二氧化碳的替代品。在bijel中,化学物质的分离不需要煮沸,因此可以节省很多能源。”

但bijel内部的高表面积也打开了其他应用潜力。哈斯:“例如,Bijels可以为开发更高效的太阳能电池和能将海水转化为饮用水的分离膜提供机会。现在我们可以让液体通过bijel的微观通道,所以使用这些新型纳米凝胶作为可持续技术材料的许多令人兴奋的机会成为可能。”