16 년 2023 월 XNUMX 일 (나노 워크 스포트라이트) 증가하는 글로벌 물 위기는 전 세계적으로 인류 건강에 심각한 위협을 가하고 있습니다. 염료, 중금속, 휘발성 유기 화합물과 같은 독성 오염물질로 인한 수질 오염이 악화됨에 따라 인간이 사용하고 환경을 개선할 수 있도록 물을 처리하고 정화하기 위한 혁신적인 솔루션이 필요합니다. 멤브레인 기반 여과는 유망한 것으로 나타났지만 현재 재료는 안정성, 비용 및 오염 물질 제거 범위에서 한계에 직면해 있습니다. 이제 우한 대학과 퍼듀 대학의 연구원들이 통합된 새로운 하이브리드 멤브레인을 개발했습니다. 그래 핀 및 금속 유기 프레임워크 (MOF)는 이러한 과제를 극복합니다. 그들의 연구 결과는 고급 기능성 재료 ("시너지 효과가 있는 다층 체질막: 우수한 다상 수분 분리를 위해 세포형 그래핀 골격과 연속 MOF 나노층 통합"), 여과 조건에서 안정성을 유지하면서 광범위한 수질 오염 물질을 효율적으로 걸러낼 수 있는 그래핀-MOF 멤브레인을 시연합니다.
다상 물 분자체를 위한 연속 MOF 나노층(CMN)을 갖춘 레이저 유도 다단계 세포 그래핀 골격. a) 펨토초 레이저 유도 다단계 그래핀 골격 체의 개략도와 구체적인 세부 사항. I) 펨토초 레이저 내부 절제 및 열 충격. II) 레이저 유도된 다단계 그래핀 골격. III) ZIF-8을 사용한 MOF의 현장 성장 및 리간드 교환. b) c) 다상 물 분자체 개략도의 분자체 개략도. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄) 멤브레인 기반 수처리는 다공성 필름을 활용하여 오염 물질을 걸러내고 선택적 체질을 통해 물을 정화합니다. 다공성 나노물질의 일종인 MOF는 인상적인 분자 체질 능력을 보이지만 제한된 체질 범위, 용액 불안정성 및 복잡한 처리 요구 사항으로 인해 적용이 제한되었습니다. 그래핀은 높은 태양열 흡수율과 투과성을 제공하지만 MOF의 선택적 체질 능력은 부족합니다.
새로운 연구는 레이저 유도 그래핀(LIG)과 연속 MOF 층을 견고한 하이브리드 멤브레인에 통합하여 이러한 한계를 해결했습니다. LIG 제조에서는 펨토초 레이저를 활용하여 상업용 고분자 필름 내부에 그래핀 형성을 유도하고 수처리에 이상적인 마이크로/나노기공이 있는 다단계 "그래핀 골격"(MGKS)을 생성합니다. 그런 다음 연구원들은 현장 열수 합성을 통해 LIG 골격 내에서 MOF 입자(ZIF-8)의 연속 나노층을 성장시켰습니다. 그 결과 다층 막은 두 재료의 장점을 결합합니다. LIG는 우수한 태양열 흡수 및 투수성을 갖춘 안정적인 백본을 제공하고 MOF 층은 정밀한 분자 체질을 가능하게 합니다.
생성된 MGKS는 표면에 정렬된 마이크로 및 나노기공을 나타내며, 이는 선택적 분자 체질의 핵심입니다. 또한 레이저는 바닥에 엇갈린 라멜라를 형성하여 효율적인 다상 물 흐름을 촉진합니다. 여과 조건에서 그래핀의 안정성을 강화하기 위해 연구진은 현장 핵 생성 및 리간드 교환을 통해 골격 전체에 MOF ZIF-8의 연속 나노층을 성장시켰습니다. 맞춤형 ZIF-8 합성은 더 작은 오염물질을 걸러내는 데 도움이 되는 더 작은 나노기공을 생성했습니다.
이 그래핀-MOF 하이브리드 멤브레인은 다단계, 다공 크기 체질 전략을 사용합니다. 마이크론 그래핀 네트워크는 오일과 큰 분자를 흡착합니다. 10nm 나노기공은 오염물질을 포착할 수 있는 넓은 표면적을 제공합니다. 수산기 및 카르복실기와 같은 내장된 작용기는 급수에서 중금속 이온을 감소시킵니다. 마지막으로 초소형 0.34nm ZIF-8 기공은 물은 통과시키는 동시에 휘발성 유기 화합물을 걸러냅니다.
엄격한 재료 특성 분석을 통해 하이브리드 멤브레인의 구성과 특성이 검증되었습니다. 테스트 결과, 최적화된 LIG 구조는 실제 사용에 필요한 높은 결정성과 열 안정성을 보유하고 있는 것으로 나타났습니다. MOF 층은 그래핀 골격의 결함을 채워서 막 무결성을 향상시켰습니다. 이러한 결과는 멤브레인이 산업 수처리의 가혹한 조건에서도 성능을 유지할 수 있음을 나타냅니다.
테스트를 통해 멤브레인의 태양열 증기 생성 및 오염물질 제거 성능이 검증되었습니다. 다양한 조사 하에서 뛰어난 햇빛 흡수와 90%의 벤치마크 증발 효율을 달성하는 동시에 식수 기준보다 낮은 XNUMX개의 중금속 이온을 효과적으로 걸러냈습니다. 또한 ZIF-8 층은 유기염료를 완벽하게 차단하고 휘발성 유기용매를 대폭 제거했다.
압력 구동 액체 여과 하에서 막의 소수성 및 친유성 특성으로 인해 오일-물 분리가 가능해졌습니다. 유수 혼합물을 여과할 때 유분 전체를 흡착하였습니다. 태양열 구동 여과보다 효율성은 떨어지지만 압력 구동 작동은 여전히 휘발성 유기물, 중금속 및 염료를 상당한 수준으로 줄였습니다.
전반적으로 최적화된 그래핀 골격의 안정성과 ZIF-8의 선택적 체질이 결합되어 광범위한 수질 오염 물질을 제거합니다. 이는 이전 그래핀 및 MOF 멤브레인의 한계를 단독으로 극복합니다. 손쉬운 제작 방법으로 확장 가능한 생산도 가능합니다.
이 연구는 멤브레인 기술의 흥미롭고 새로운 방향을 개척합니다. 손쉬운 LIG-MOF 제조 방법과 그래핀/MOF 하이브리드를 위한 탁월한 성능 개방형으로 실제 수질 정화에 대한 약속을 이행합니다. 특히 액상 응용 분야의 경우 일부 제한 사항이 남아 있지만 태양열 기반 결과는 매우 유망합니다.
추가적인 최적화를 통해 이 접근 방식은 수처리 능력을 확장하고 비전통적인 수원의 지속 가능한 활용을 가능하게 할 수 있습니다. 저자가 지적한 바와 같이, 레이저 매개변수를 조정하고 MOF를 선택하면 원하는 응용 분야에 맞게 멤브레인 구조를 조정할 수 있는 유연성이 제공됩니다.
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마이클
버거
다상 물 분자체를 위한 연속 MOF 나노층(CMN)을 갖춘 레이저 유도 다단계 세포 그래핀 골격. a) 펨토초 레이저 유도 다단계 그래핀 골격 체의 개략도와 구체적인 세부 사항. I) 펨토초 레이저 내부 절제 및 열 충격. II) 레이저 유도된 다단계 그래핀 골격. III) ZIF-8을 사용한 MOF의 현장 성장 및 리간드 교환. b) c) 다상 물 분자체 개략도의 분자체 개략도. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄) 멤브레인 기반 수처리는 다공성 필름을 활용하여 오염 물질을 걸러내고 선택적 체질을 통해 물을 정화합니다. 다공성 나노물질의 일종인 MOF는 인상적인 분자 체질 능력을 보이지만 제한된 체질 범위, 용액 불안정성 및 복잡한 처리 요구 사항으로 인해 적용이 제한되었습니다. 그래핀은 높은 태양열 흡수율과 투과성을 제공하지만 MOF의 선택적 체질 능력은 부족합니다.
새로운 연구는 레이저 유도 그래핀(LIG)과 연속 MOF 층을 견고한 하이브리드 멤브레인에 통합하여 이러한 한계를 해결했습니다. LIG 제조에서는 펨토초 레이저를 활용하여 상업용 고분자 필름 내부에 그래핀 형성을 유도하고 수처리에 이상적인 마이크로/나노기공이 있는 다단계 "그래핀 골격"(MGKS)을 생성합니다. 그런 다음 연구원들은 현장 열수 합성을 통해 LIG 골격 내에서 MOF 입자(ZIF-8)의 연속 나노층을 성장시켰습니다. 그 결과 다층 막은 두 재료의 장점을 결합합니다. LIG는 우수한 태양열 흡수 및 투수성을 갖춘 안정적인 백본을 제공하고 MOF 층은 정밀한 분자 체질을 가능하게 합니다.
생성된 MGKS는 표면에 정렬된 마이크로 및 나노기공을 나타내며, 이는 선택적 분자 체질의 핵심입니다. 또한 레이저는 바닥에 엇갈린 라멜라를 형성하여 효율적인 다상 물 흐름을 촉진합니다. 여과 조건에서 그래핀의 안정성을 강화하기 위해 연구진은 현장 핵 생성 및 리간드 교환을 통해 골격 전체에 MOF ZIF-8의 연속 나노층을 성장시켰습니다. 맞춤형 ZIF-8 합성은 더 작은 오염물질을 걸러내는 데 도움이 되는 더 작은 나노기공을 생성했습니다.
이 그래핀-MOF 하이브리드 멤브레인은 다단계, 다공 크기 체질 전략을 사용합니다. 마이크론 그래핀 네트워크는 오일과 큰 분자를 흡착합니다. 10nm 나노기공은 오염물질을 포착할 수 있는 넓은 표면적을 제공합니다. 수산기 및 카르복실기와 같은 내장된 작용기는 급수에서 중금속 이온을 감소시킵니다. 마지막으로 초소형 0.34nm ZIF-8 기공은 물은 통과시키는 동시에 휘발성 유기 화합물을 걸러냅니다.
엄격한 재료 특성 분석을 통해 하이브리드 멤브레인의 구성과 특성이 검증되었습니다. 테스트 결과, 최적화된 LIG 구조는 실제 사용에 필요한 높은 결정성과 열 안정성을 보유하고 있는 것으로 나타났습니다. MOF 층은 그래핀 골격의 결함을 채워서 막 무결성을 향상시켰습니다. 이러한 결과는 멤브레인이 산업 수처리의 가혹한 조건에서도 성능을 유지할 수 있음을 나타냅니다.
테스트를 통해 멤브레인의 태양열 증기 생성 및 오염물질 제거 성능이 검증되었습니다. 다양한 조사 하에서 뛰어난 햇빛 흡수와 90%의 벤치마크 증발 효율을 달성하는 동시에 식수 기준보다 낮은 XNUMX개의 중금속 이온을 효과적으로 걸러냈습니다. 또한 ZIF-8 층은 유기염료를 완벽하게 차단하고 휘발성 유기용매를 대폭 제거했다.
압력 구동 액체 여과 하에서 막의 소수성 및 친유성 특성으로 인해 오일-물 분리가 가능해졌습니다. 유수 혼합물을 여과할 때 유분 전체를 흡착하였습니다. 태양열 구동 여과보다 효율성은 떨어지지만 압력 구동 작동은 여전히 휘발성 유기물, 중금속 및 염료를 상당한 수준으로 줄였습니다.
전반적으로 최적화된 그래핀 골격의 안정성과 ZIF-8의 선택적 체질이 결합되어 광범위한 수질 오염 물질을 제거합니다. 이는 이전 그래핀 및 MOF 멤브레인의 한계를 단독으로 극복합니다. 손쉬운 제작 방법으로 확장 가능한 생산도 가능합니다.
이 연구는 멤브레인 기술의 흥미롭고 새로운 방향을 개척합니다. 손쉬운 LIG-MOF 제조 방법과 그래핀/MOF 하이브리드를 위한 탁월한 성능 개방형으로 실제 수질 정화에 대한 약속을 이행합니다. 특히 액상 응용 분야의 경우 일부 제한 사항이 남아 있지만 태양열 기반 결과는 매우 유망합니다.
추가적인 최적화를 통해 이 접근 방식은 수처리 능력을 확장하고 비전통적인 수원의 지속 가능한 활용을 가능하게 할 수 있습니다. 저자가 지적한 바와 같이, 레이저 매개변수를 조정하고 MOF를 선택하면 원하는 응용 분야에 맞게 멤브레인 구조를 조정할 수 있는 유연성이 제공됩니다.
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마이클
버거
– Michael은 Royal Society of Chemistry에서 다음 세 권의 책을 저술했습니다.
나노 사회 : 기술의 경계를 넓히다,
나노 기술 : 미래는 작다및
나노 엔지니어링 : 기술을 보이지 않게하는 기술과 도구
저작권 ©
나노워크 LLC
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- 출처: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64065.php
