Ngày 16 tháng 2023 năm XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Cuộc khủng hoảng nước toàn cầu ngày càng gia tăng đặt ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe con người trên toàn thế giới. Với tình trạng ô nhiễm nước do các chất gây ô nhiễm độc hại như thuốc nhuộm, kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi ngày càng trầm trọng, cần có các giải pháp sáng tạo để xử lý và lọc nước cho con người sử dụng và khắc phục môi trường. Quá trình lọc dựa trên màng đã cho thấy nhiều hứa hẹn, nhưng các vật liệu hiện tại phải đối mặt với những hạn chế về độ ổn định, chi phí và phạm vi loại bỏ chất gây ô nhiễm. Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Vũ Hán và Đại học Purdue đã phát triển một loại màng lai mới tích hợp graphene và khung hữu cơ kim loại (MOF) để vượt qua những thách thức này. Phát hiện của họ, được công bố trên Vật liệu chức năng nâng cao (“Màng sàng đa cấp tổng hợp: Tích hợp khung graphene tế bào với lớp nano MOF liên tục để tách nước nhiều pha vượt trội”), chứng minh màng graphene-MOF có thể sàng lọc hiệu quả nhiều loại chất gây ô nhiễm nước trong khi vẫn ổn định trong điều kiện lọc.
Bộ xương graphene tế bào đa cấp cảm ứng bằng laser với lớp nano MOF liên tục (CMN) dành cho rây phân tử nước nhiều pha. a) Sơ đồ sàng khung graphene đa cấp cảm ứng bằng laser femto giây và các chi tiết bê tông. I) Sự xâm lấn bên trong và sốc nhiệt bằng laser Femtosecond. II) Bộ xương graphene đa cấp cảm ứng bằng laser. III) Tăng trưởng tại chỗ và trao đổi phối tử MOF bằng ZIF-8. b) Sơ đồ sàng phân tử trong c) Sơ đồ sàng phân tử nước nhiều pha. (Được in lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Xử lý nước dựa trên màng sử dụng màng xốp để lọc các chất gây ô nhiễm và làm sạch nước thông qua sàng lọc chọn lọc. MOF, một loại vật liệu nano xốp, cho thấy khả năng sàng lọc phân tử ấn tượng, nhưng ứng dụng của chúng bị hạn chế do phạm vi sàng hạn chế, tính không ổn định của dung dịch và các yêu cầu xử lý phức tạp. Graphene có khả năng hấp thụ và thấm năng lượng mặt trời cao nhưng thiếu khả năng sàng chọn lọc của MOF.
Nghiên cứu mới đã khắc phục những hạn chế này bằng cách tích hợp các lớp graphene (LIG) được tạo ra bằng laser và các lớp MOF liên tục vào một màng lai chắc chắn. Chế tạo LIG sử dụng tia laser femto giây để tạo ra sự hình thành graphene bên trong màng polymer thương mại, tạo ra “bộ xương graphene” (MGKS) đa cấp với các lỗ micro/nano lý tưởng để xử lý nước. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển một lớp nano liên tục gồm các hạt MOF (ZIF-8) trong bộ xương LIG thông qua quá trình tổng hợp thủy nhiệt tại chỗ. Màng nhiều lớp thu được kết hợp các điểm mạnh của cả hai vật liệu – LIG mang lại nền tảng ổn định với khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời và thấm nước tuyệt vời, trong khi lớp MOF cho phép sàng lọc phân tử chính xác.
MGKS thu được thể hiện các lỗ micro và nano có trật tự trên bề mặt của nó, chìa khóa cho việc sàng lọc phân tử chọn lọc. Tia laser cũng tạo thành các tấm so le ở phía dưới, tạo điều kiện cho dòng nước đa pha hiệu quả. Để củng cố tính ổn định của graphene trong các điều kiện lọc, các nhà nghiên cứu đã phát triển một lớp nano liên tục của MOF ZIF-8 khắp bộ xương thông qua quá trình tạo mầm tại chỗ và trao đổi phối tử. Quá trình tổng hợp ZIF-8 tùy chỉnh mang lại các lỗ nano nhỏ hơn giúp sàng lọc các chất gây ô nhiễm nhỏ hơn.
Màng lai graphene-MOF này sử dụng chiến lược sàng đa cấp, kích thước đa lỗ. Mạng lưới graphene micron hấp thụ dầu và các phân tử lớn. Các lỗ nano 10 nm của nó cung cấp diện tích bề mặt lớn để thu giữ các chất gây ô nhiễm. Các nhóm chức nhúng như hydroxyl và carboxyl làm giảm các ion kim loại nặng trong nước cấp. Cuối cùng, các lỗ ZIF-0.34 siêu nhỏ 8 nm lọc ra các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong khi cho phép nước đi qua.
Đặc tính vật liệu nghiêm ngặt đã xác nhận thành phần và tính chất của màng lai. Các thử nghiệm cho thấy cấu trúc LIG được tối ưu hóa có độ kết tinh cao và độ ổn định nhiệt cần thiết để sử dụng trong thế giới thực. Lớp MOF lấp đầy các khuyết điểm trong khung graphene, cải thiện tính toàn vẹn của màng. Những kết quả này cho thấy màng có thể duy trì hiệu suất trong điều kiện xử lý nước công nghiệp khắc nghiệt.
Thử nghiệm đã xác nhận hiệu suất loại bỏ chất gây ô nhiễm và tạo hơi nước bằng năng lượng mặt trời của màng. Nó đạt được khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời đặc biệt và hiệu suất bay hơi chuẩn 90% dưới các mức chiếu xạ khác nhau, đồng thời sàng lọc hiệu quả bốn ion kim loại nặng dưới mức tiêu chuẩn nước uống. Lớp ZIF-8 cũng ngăn chặn hoàn toàn thuốc nhuộm hữu cơ và loại bỏ đáng kể dung môi hữu cơ dễ bay hơi.
Trong quá trình lọc chất lỏng được điều khiển bằng áp suất, đặc tính kỵ nước và ưa mỡ của màng cho phép tách dầu-nước. Nó hấp phụ toàn bộ phần dầu khi lọc hỗn hợp dầu-nước. Mặc dù kém hiệu quả hơn so với quá trình lọc bằng năng lượng mặt trời, hoạt động bằng áp suất vẫn làm giảm các chất hữu cơ dễ bay hơi, kim loại nặng và thuốc nhuộm ở mức độ đáng kể.
Nhìn chung, độ ổn định của khung graphene được tối ưu hóa và khả năng sàng chọn lọc của ZIF-8 đã kết hợp để loại bỏ nhiều chất gây ô nhiễm trong nước. Điều này khắc phục được những hạn chế của riêng màng graphene và MOF trước đây. Phương pháp chế tạo dễ dàng cũng cho phép sản xuất có thể mở rộng.
Nghiên cứu này tiên phong cho một hướng đi mới thú vị trong công nghệ màng. Phương pháp chế tạo LIG-MOF đơn giản và hiệu suất vượt trội mở ra cánh cửa cho các vật liệu lai graphene/MOF thực hiện lời hứa của chúng trong việc lọc nước trong thế giới thực. Mặc dù vẫn còn một số hạn chế, đặc biệt đối với các ứng dụng pha lỏng, nhưng kết quả thu được từ năng lượng mặt trời là cực kỳ hứa hẹn.
Với việc tối ưu hóa hơn nữa, phương pháp này có thể mở rộng khả năng xử lý nước và cho phép sử dụng bền vững các nguồn phi truyền thống. Như các tác giả lưu ý, việc điều chỉnh các tham số laser và lựa chọn MOF mang lại sự linh hoạt để điều chỉnh cấu trúc của màng cho các ứng dụng mong muốn.
By
Michael
Berger
Bộ xương graphene tế bào đa cấp cảm ứng bằng laser với lớp nano MOF liên tục (CMN) dành cho rây phân tử nước nhiều pha. a) Sơ đồ sàng khung graphene đa cấp cảm ứng bằng laser femto giây và các chi tiết bê tông. I) Sự xâm lấn bên trong và sốc nhiệt bằng laser Femtosecond. II) Bộ xương graphene đa cấp cảm ứng bằng laser. III) Tăng trưởng tại chỗ và trao đổi phối tử MOF bằng ZIF-8. b) Sơ đồ sàng phân tử trong c) Sơ đồ sàng phân tử nước nhiều pha. (Được in lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Xử lý nước dựa trên màng sử dụng màng xốp để lọc các chất gây ô nhiễm và làm sạch nước thông qua sàng lọc chọn lọc. MOF, một loại vật liệu nano xốp, cho thấy khả năng sàng lọc phân tử ấn tượng, nhưng ứng dụng của chúng bị hạn chế do phạm vi sàng hạn chế, tính không ổn định của dung dịch và các yêu cầu xử lý phức tạp. Graphene có khả năng hấp thụ và thấm năng lượng mặt trời cao nhưng thiếu khả năng sàng chọn lọc của MOF.
Nghiên cứu mới đã khắc phục những hạn chế này bằng cách tích hợp các lớp graphene (LIG) được tạo ra bằng laser và các lớp MOF liên tục vào một màng lai chắc chắn. Chế tạo LIG sử dụng tia laser femto giây để tạo ra sự hình thành graphene bên trong màng polymer thương mại, tạo ra “bộ xương graphene” (MGKS) đa cấp với các lỗ micro/nano lý tưởng để xử lý nước. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển một lớp nano liên tục gồm các hạt MOF (ZIF-8) trong bộ xương LIG thông qua quá trình tổng hợp thủy nhiệt tại chỗ. Màng nhiều lớp thu được kết hợp các điểm mạnh của cả hai vật liệu – LIG mang lại nền tảng ổn định với khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời và thấm nước tuyệt vời, trong khi lớp MOF cho phép sàng lọc phân tử chính xác.
MGKS thu được thể hiện các lỗ micro và nano có trật tự trên bề mặt của nó, chìa khóa cho việc sàng lọc phân tử chọn lọc. Tia laser cũng tạo thành các tấm so le ở phía dưới, tạo điều kiện cho dòng nước đa pha hiệu quả. Để củng cố tính ổn định của graphene trong các điều kiện lọc, các nhà nghiên cứu đã phát triển một lớp nano liên tục của MOF ZIF-8 khắp bộ xương thông qua quá trình tạo mầm tại chỗ và trao đổi phối tử. Quá trình tổng hợp ZIF-8 tùy chỉnh mang lại các lỗ nano nhỏ hơn giúp sàng lọc các chất gây ô nhiễm nhỏ hơn.
Màng lai graphene-MOF này sử dụng chiến lược sàng đa cấp, kích thước đa lỗ. Mạng lưới graphene micron hấp thụ dầu và các phân tử lớn. Các lỗ nano 10 nm của nó cung cấp diện tích bề mặt lớn để thu giữ các chất gây ô nhiễm. Các nhóm chức nhúng như hydroxyl và carboxyl làm giảm các ion kim loại nặng trong nước cấp. Cuối cùng, các lỗ ZIF-0.34 siêu nhỏ 8 nm lọc ra các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong khi cho phép nước đi qua.
Đặc tính vật liệu nghiêm ngặt đã xác nhận thành phần và tính chất của màng lai. Các thử nghiệm cho thấy cấu trúc LIG được tối ưu hóa có độ kết tinh cao và độ ổn định nhiệt cần thiết để sử dụng trong thế giới thực. Lớp MOF lấp đầy các khuyết điểm trong khung graphene, cải thiện tính toàn vẹn của màng. Những kết quả này cho thấy màng có thể duy trì hiệu suất trong điều kiện xử lý nước công nghiệp khắc nghiệt.
Thử nghiệm đã xác nhận hiệu suất loại bỏ chất gây ô nhiễm và tạo hơi nước bằng năng lượng mặt trời của màng. Nó đạt được khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời đặc biệt và hiệu suất bay hơi chuẩn 90% dưới các mức chiếu xạ khác nhau, đồng thời sàng lọc hiệu quả bốn ion kim loại nặng dưới mức tiêu chuẩn nước uống. Lớp ZIF-8 cũng ngăn chặn hoàn toàn thuốc nhuộm hữu cơ và loại bỏ đáng kể dung môi hữu cơ dễ bay hơi.
Trong quá trình lọc chất lỏng được điều khiển bằng áp suất, đặc tính kỵ nước và ưa mỡ của màng cho phép tách dầu-nước. Nó hấp phụ toàn bộ phần dầu khi lọc hỗn hợp dầu-nước. Mặc dù kém hiệu quả hơn so với quá trình lọc bằng năng lượng mặt trời, hoạt động bằng áp suất vẫn làm giảm các chất hữu cơ dễ bay hơi, kim loại nặng và thuốc nhuộm ở mức độ đáng kể.
Nhìn chung, độ ổn định của khung graphene được tối ưu hóa và khả năng sàng chọn lọc của ZIF-8 đã kết hợp để loại bỏ nhiều chất gây ô nhiễm trong nước. Điều này khắc phục được những hạn chế của riêng màng graphene và MOF trước đây. Phương pháp chế tạo dễ dàng cũng cho phép sản xuất có thể mở rộng.
Nghiên cứu này tiên phong cho một hướng đi mới thú vị trong công nghệ màng. Phương pháp chế tạo LIG-MOF đơn giản và hiệu suất vượt trội mở ra cánh cửa cho các vật liệu lai graphene/MOF thực hiện lời hứa của chúng trong việc lọc nước trong thế giới thực. Mặc dù vẫn còn một số hạn chế, đặc biệt đối với các ứng dụng pha lỏng, nhưng kết quả thu được từ năng lượng mặt trời là cực kỳ hứa hẹn.
Với việc tối ưu hóa hơn nữa, phương pháp này có thể mở rộng khả năng xử lý nước và cho phép sử dụng bền vững các nguồn phi truyền thống. Như các tác giả lưu ý, việc điều chỉnh các tham số laser và lựa chọn MOF mang lại sự linh hoạt để điều chỉnh cấu trúc của màng cho các ứng dụng mong muốn.
By
Michael
Berger
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64065.php
