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学术干货 | Janus膜及其在膜过程中的应用简介

[本文内容参考了Janus Membranes: Creating Asymmetry for Energy Efficiency一文。该文已发表在Advanced Materials期刊上(详见文末原文链接)。本文中的图片均来自原文。]

膜的应用与能源领域息息相关。传统压力驱动的膜分离过程中需要外界能源的输入,因而开发高效膜材料以减小对这些能源的需求是研发低能耗膜过程的关键所在。此外,膜材料还被广泛用于诸多产能和储能设备中,如各种二次离子电池隔膜、燃料电池隔膜以及浓差极化发电过程等等。近年来,Janus膜在前述领域中受到了越来越多的重视。Janus膜在膜的两侧具有相异的性质,从而具备了一系列特殊功能,进而可以降低膜过程的能耗或提高产能器件的效率。图1展示了Janus膜在提升能量利用效率方面的应用。

学术干货 | Janus膜及其在膜过程中的应用简介

1. Janus膜的应用一览(从正上顺时针方向):电池隔膜、浓差发电、集雾、鼓泡、乳化、去乳化、催化剂负载基底、纳滤。

Janus膜之定义】

           Janus膜得名于古罗马神话中的两面神Janus。此神具有两张脸,分别朝向相对的两侧,寓意回顾过去以及展望未来。这种“合二为一”的思想在中国古代文化中的太极阴阳图和当代新型材料Janus膜中都有所反映。

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在材料研究领域,Janus膜 这个名字出现在2010年,但直到最近随着材料领域的蓬勃发展才被广泛提及并运用。根据膜的构型,Janus膜可分为两种:

(1)狭义Janus:膜两侧的性质必须相反。如一侧疏水,另一侧则必须亲水;

(2)广义Janus:膜两侧的性质不同即可。如一侧疏水,另一侧导电。

另外需要指出的是,Janus膜的两侧可具有明显界面,也可从一侧均匀过渡到另一侧。下面将介绍介绍最为常见的两种Janus膜。

【亲水疏水Janus膜】

亲水-疏水Janus膜即一张膜一面亲水,一面疏水。这种Janus膜主要应用于涉及两相界面过程的领域,例如油水分离、膜乳化、膜破乳、膜鼓泡。

通过与传统均质相的膜相比,Janus膜可以有效降低上述过程的能量消耗。如图2所示,当水滴滴在疏水一面时,由于疏水作用以及水自身的表面张力,水滴会形成一圆球,从而使得水滴与膜接触部分被挤入膜上的小孔。而小孔的另一端是亲水的,从而可以快速将水滴“拉扯”到亲水的对面一侧,实现自发过膜运输。而此过程的逆过程则不可自动进行。Janus膜的应用实现了液体单向传输,类似电路中的二极管对电流的定向传导。因此亲水-疏水Janus膜又被称为“液体二极管”(liquid diode)。这种利用亲水-疏水特性而实现的自发传输过程减少了使液体通过膜所需要施加的额外能量,从而降低外界能量输入。

这种特性使得亲水-疏水Janus膜在油水分离的应用(如海面石油泄漏处理)中有着比传统疏水膜更为优异的性能(图3)。

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2. 亲水-疏水Janus膜定向自发传导液体示意图(左)和实际效果图(右)。

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3. 传统疏水膜在油水分离过程中存在油水二次混合的问题(左)。亲水-疏水Janus膜则理论上可完全避免油水二次互混的情况发生(右)。

 【正负电Janus膜】

正电-负电Janus膜即膜两侧带有相反电性表面电荷的膜。由于这种特性,正-负电Janus膜可以发挥类似离子交换膜的功能来选择性透过离子。该类膜在电解质可以用于形成离子浓度差以及纳滤。

如图4a所示,当钾离子从带负电一侧接近正-负Janus膜时,由于正负电荷的吸引,带正电的钾离子可以顺利进入膜中。而当来到另一侧后,由于正-正电荷的排斥作用会促使钾离子离开膜进入另一侧。理论上带负电的氯离子也可以经相反的路径进入另一侧。当恰当控制两侧膜的孔径大小,如本例中带正电一侧的孔径大于带负电的一侧孔径,则可促进K+的定向运动而抑制Cl的反向流动。如此便能在膜的右侧富集K+,形成高浓度KCl溶液并在膜两侧形成浓差。当用电路连通两侧溶液时便能产生电能。

在纳滤过程中,正-负电Janus膜还可以同时完成阴、阳离子的过滤,取得传统滤膜难以达到的效率(图3b)。正-负电Janus膜在以上过程中都展现出自发定向离子移动的功能,从而提高产能效率或降低分离离子所需的能耗。

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4. 正-负电Janus膜在(a)形成离子浓差和(b)纳滤过程中的应用示意图。

【未来之路】

           有关Janus膜的研究领域虽已取得了长足的进步和发展,但目前仍面临许多挑战。总结起来,这些难题主要有:

1)膜厚的精确控制。膜厚对分离的效率有着举足轻重的作用。不同领域偏爱不同厚度的膜:薄的亲水-疏水Janus膜可用于去乳化过程以减小乳液流经膜的阻力。而厚的亲水-疏水Janus膜则可提高集雾效率。如何实现膜厚的精确控制将直接关乎Janus膜的应用前景。

2Janus膜的结构对传输、传导性质的影响。目前相关基础研究为数不多,计算模拟等技术有望在这一领域大展拳脚,并对Janus膜的理性合成提供指导。

3)新型的制膜方法。当下Janus膜的制备主要是将两种不同性质的膜合在一起,或是对已有的膜材料两侧表面进行修饰。开发自下而上(bottom-up)的合成策略则可实现制备性能可精确调控的Janus膜,并使得Janus膜的合成更加个性化以针对不同应用领域的需求。

【原文链接】

           本文所述仅为原文内容的冰山一角。对Janus感兴趣的读者可移步下方的原文获取更多细节:

Hao-Cheng Yang et al. Janus Membranes: Creating Asymmetry for Energy Efficiency, Adv. Mater., 2018, doi: 10.1002/adma.201801495.

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作者信息:美国阿贡国家实验室Hao-Cheng Yang博士(第一作者)、Seth B. Darling博士(通讯作者)及英国剑桥大学侯经纬博士(通讯作者)等。

发表时间:2018年7月20日上线

 

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿、编辑 | 清新电源特邀编辑刘田宇

主编 | 张哲旭

本文由清新电源原创,作者,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/149954.html

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