JACS：具有高离子电导率的BN二维纳米流体通道

【引言】

二维六方氮化硼（h-BN）纳米片是由B和N原子以sp²成键方式杂化形成的蜂窝状结构，因此被称为“白石墨烯”。氮化硼具有宽带隙、高热导率、稳定性、抗氧化性等优异的物理化学性能。BN纳米片通常是疏水的，因此难以在水中形成均一稳定的胶体分散液，作者团队通过尿素辅助一步球磨法制备了氨基封端修饰可均匀分散于水中的BN纳米片，并且成功组装成能够自支持的层层堆叠的BN膜（Nat. Commun. 2015, 6, 8849）。

离子在纳米流体通道中的传输途径与块体材料不同，通道内壁的表面电荷影响着离子的输运，例如，基于静电作用，通道内壁会吸引相反电荷的离子，排斥同种电荷离子。因此，随着抗衡离子浓度升高，通道表面会形成双电层，双电层能够有效排斥通道中的同种电荷离子，从而控制电流/电导。

【成果简介】

最近，澳大利亚迪肯大学的Ying (Ian) Chen教授和类伟巍博士（共同通讯）在期刊JACS上发表题为“High and Stable Ionic Conductivity in 2D Nanofluidic Ion Channels between Boron Nitride Layers”的文章。研究表明，离子能够快速通过水合BN膜片层间的二维通道，BN纳米片分散液通过减压抽滤法组装而成的BN膜，在低盐浓度条件下，纳米片表面电荷能够产生离子电流，其离子电导率比块体材料增大几个数量级。此外，BN离子通道膜组装的纳米流体器件在高温（90℃）和强酸碱溶液（pH~0或14）中具有优异的稳定性，在纳米流体器件和膜分离方面具有潜在的应用价值。

[注：小编未能找到通讯作者Ying (Ian) Chen的确切中文名，在此表示诚挚的歉意!]

【图文导读】

图1. 一步球磨法得到的BN纳米片结构表征

a) b)少数层BN纳米片胶体分散液的光学照片及原子力显微镜照片。

c) d) 自支持的BN膜光学照片及扫描电镜截面照片。

图2. BN纳米流体通道的组装与离子传导测试

a) b) BN纳米流体通道作用示意图和实物图。

c) 不同浓度NaCl溶液的I-V曲线。

d) 中性条件下BN纳米流体通道器件的离子电导率测试。

图3. BN膜的层间距表征

a) b) 水合的BN膜与干BN膜的XRD与SAXS谱图对比，说明少层的BN纳米片之间存在2-3层水分子的厚度，可供离子传输扩散。

c) d) BN膜SAXS（小角X射线散射）的测试示意图。

图4. 强酸碱条件下，BN膜纳米通道的离子电导率测试

a) b) 碱性条件下（KOH）溶液的IV曲线及离子电导率测试。

c) d) 酸性条件下（HCl）溶液的IV曲线及离子电导率测试。

【小结】

文中通过一步球磨法制备了-NH₃和-B-OH封端修饰的BN纳米片，其能够在水溶液中均匀分散并抽滤组装成均匀致密的BN膜。同GO膜类似，抽滤过程中纳米片相互堆叠形成了二维的纳米级毛细通道，可供水分子和离子扩散。经过对BN纳米流体通道器件离子电流的和溶液离子电导率的测试发现，在低盐浓度的条件下，体系会导致溶液离子电导率的增大，并具有强酸碱和高温条件下的稳定性。

 文献链接：High and Stable Ionic Conductivity in 2D Nanofluidic Ion Channels between Boron Nitride Layers （J. Am. Chem. Soc，2017，DOI: 10.1021/jacs.6b11100）

本文由材料人纳米学术组大嘴巴荼荼供稿，材料牛编辑整理。

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