你最新研究消息的来源
神户大学研究人员领导的一项国际合作成功开发了一种纳米片层压光催化膜，该膜具有优异的透水性和光催化活性。膜的光催化特性使其更容易清洁，因为用光照射膜成功地减少了污染。他们通过将二维纳米材料(纳米片)层压在多孔支架上来开发这种膜。
这种革命性的膜技术可以应用于水净化，因此有可能通过帮助确保安全的饮用水供应和清洁能源，为解决全球环境和能源问题做出贡献。人们希望这将加速向碳中和、可持续社会的迈进。
这项开发是由神户大学科学技术创新研究生院/膜和电影技术研究中心的一个研究小组(NAKAGAWA Keizo副教授，YOSHIOKA Tomohisa教授和MATSUYAMA Hideto教授)与神户大学分子光科学研究中心的TACHIKAWA Takashi教授合作完成的。国立台湾科技大学胡雪霞副教授、牛津大学曾世智教授。
该研究结果首次发表在《科学》杂志上。化学工程杂志2022年4月7日。
要点
研究背景
面对全球气候变化、发展中国家人口急剧增长和经济增长，世界许多地区获得充足的水资源正成为一个日益严重的问题。据报道，到2025年，世界三分之二的人口将面临水资源短缺。为了防止这种严重的水资源短缺，广泛采用水循环和净化技术以及有效利用水生产技术(例如海水淡化)是至关重要的。
膜过滤法具有连续、稳定地提供优质水的特点，目前已在900家净水厂得到应用。然而，存在膜污染的问题，即从水中分离和去除污染物的膜被堵塞。当膜污染发生时，不再可能获得所需的处理水量。因此，有必要对膜进行清洗或更换。为了解决这个问题，人们对各种防止污垢的方法进行了大量的研究，但尚未找到一个充分的解决方案。
已经提出了一种方法，它需要更少的能源，对环境的影响也小。这包括将光催化材料(如二氧化钛)引入膜中，并通过光催化去除污染物。然而，除了能够处理水之外，这种膜还必须表现出可见光响应性和高光催化活性。这就要求设计者从膜的材料、结构等多个角度来考虑膜的设计。
该研究小组先前开发了一种纳滤膜，其工作原理是利用纳米片层之间的二维通道。他们通过将铌酸盐纳米片(一种金属氧化物纳米片，每片大约一纳米厚，几百纳米宽)层压在多孔支撑膜上来开发这种膜，在纳米片之间形成了二维通道。
在这项研究中，他们发现，将氮化碳纳米片(具有可见光响应性)添加到铌酸盐纳米片层状膜中，可以增强膜的透水性，同时大大提高光催化活性。此外，膜的光催化性能完全解决了膜因污染而降低渗透率的问题。
研究方法
纳米片层合膜可以通过简单的真空过滤纳米片材料(胶体溶液)到聚合物支撑膜上形成。研究组在此次研究中制作出了100纳米厚度的超薄纳米薄片。x射线衍射和分子量分异测量表明，在铌酸盐纳米片层合膜中引入氮化碳纳米片可以控制层间纳米通道的直径。
在膜功能方面，铌酸盐(HNB)比为74:25的层压纳滤膜3.O8)纳米片氮化碳(g-C)3.N4)纳米片在保持其分离性能的同时，其透水性提高了8倍。在光催化性能方面，氮化碳纳米片的集成使可见光能够被吸收。此外，这种纳米片的组合大大提高了膜光降解阳离子染料(罗丹明B)的能力。
当所开发的复合膜用作分离膜时，铌酸盐纳米片赋予层合膜结构，而氮化碳在这些层之间引入并起到间隔层的作用。因此，层合膜中的通道膨胀，大大增加了水的渗透速率。以这种方式控制通道结构可以使90%的染料(分子量约为1000)从水中分离出来。膜的光催化功能如下:氮化碳纳米片作为吸收可见光的光催化剂，铌酸盐纳米片作为催化促进剂。此外，研究小组发现，适当地控制能带结构可以使电子有效地移动，从而大大提高光催化活性。在此基础上，研究人员将该膜应用于水净化，并以牛血清白蛋白(BSA)为污染物进行了膜污染实验。BSA污染使膜的水渗透速度降低到正常性能的1/5。然而，研究人员通过照射复合纳米片膜，成功地完全恢复了其渗透性。
进一步的研究
通过将不同类型的纳米片交织在一起形成二维纳米通道，研究人员成功地开发出了一种具有优异透水性和光催化活性的膜。通过改变纳米片的类型，可以更精确地控制二维纳米通道的形成和光催化结构，从而进一步改善膜的功能和光催化作用。下一步，研究人员希望增加膜面积并发展光催化工艺，以实现工业和实际应用。
术语表
致谢
本研究得到了JSPS KAKENHI科学研究资助(c)(资助号:JP19K05121)和台湾科学技术部(资助号:110-2221-E-011-012-MY3)的支持。
期刊引用：
引用此页：