Graphenoxid-Membranen zeigen ein ungewöhnliches Verhalten von Wasser im Nanobereich

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

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

Die Forscher stellten fest, dass eine Porendichte nicht unbedingt zu einer höheren Wasserdurchlässigkeit führt – mit anderen Worten, mehr winzige Löcher lassen Wasser nicht immer im Nanobereich durchfließen. 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 Sie immer mehr Löcher in ein Sieb machen, erwarten Sie, dass es wasserdurchlässiger wird. Aber überraschenderweise ist dies das Gegenteil von dem, was in unseren Experimenten mit Graphenoxid-Membranen passiert ist“, sagt außerordentlicher Professor Rakesh Joshileitender Autor der Studie der Schule für Materialwissenschaft und -technik, UNSW-Wissenschaft.

Veränderung der chemischen Umgebung

GO ist eine extrem dünne Form von Kohlenstoff, die sich als vielversprechendes Material für die Wasserreinigung erwiesen hat. Die chemische Verbindung besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen mit daran gebundenen Sauerstoff- und Wasserstoffatomen. Wenn Sie sich vorstellen, dass Sie LEGO-Steine ​​auf Ihrem Boden verstreuen, dann sind der Boden die Kohlenstoffatome und die Sauerstoff- und Wasserstoffatome die LEGO-Steine.

In der Chemie können Moleküle sogenannte „funktionelle Gruppen“ haben, die entweder hydrophob (wasserabweisend) oder hydrophil (wasseranziehend) sind. Die Poren in Graphen können auch hydrophob oder hydrophil sein.

„Überraschenderweise ist für den Wasserfluss (Durchfluss von Wasser durch eine Membran) nicht die Anzahl der Poren entscheidend, sondern ob die Poren hydrophob oder hydrophil sind“, sagt Tobias Foller, Doktorand bei UNSW Scientia und Erstautor der Studie. „Das ist sehr unerwartet, da die GO-Schichten nur ein Atom dick sind. Man erwartet, dass das Wasser einfach durch die Poren geht, egal ob es Wasser anzieht oder abstößt.“

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

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

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Ungewöhnliche Effekte der Oberflächenspannung

Die Forscher sagen auch, dass die Oberflächenspannung auch zur Wechselwirkung des Wassers mit den GO-Poren beiträgt. Oberflächenspannung entsteht, weil Moleküle wie Wasser aneinander haften wollen. Die Bindungen zwischen Wasser (Kohäsion) und umgebenden Festkörperoberflächen (Adhäsionskraft) können das Wasser auf engstem Raum bewegen. Es erklärt, wie Bäume die Schwerkraft überwinden können, um Wasser von ihren Wurzeln über ihre Kapillaren zu ihren Blättern zu transportieren.

In GO-Membranen – wo die „Kapillaren“ in diesem Fall Poren sind, die in einer Größenordnung von 1 Millionstel Millimeter oder weniger liegen – verhindern genau die Kräfte, die es dem Wasser ermöglichen, Baumkapillaren zu erklimmen, dass es durch die Membranporen fließt .

„Wenn man Wasser in kleinstmöglichen Kapillaren – nur wenige Atome groß – einschließt, ziehen sich die Wassermoleküle so an, dass sie ein dichtes Netzwerk bilden. Ungestört ist dieses Netzwerk so stark, dass es die Moleküle nicht freisetzen und durch das Sieb passieren lässt, selbst wenn man die Porenzahl erhöht“, sagt Herr Foller.

Feinstsiebe aus unterschiedlichen Materialien haben vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Die Forscher sagen, dass ihre Ergebnisse Wissenschaftlern helfen werden, den Flüssigkeitstransport in Atomsieben fein abzustimmen, 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, Wasserstofferzeugung und mehr optimieren“, sagt Herr 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.“