แร่ดิน Phyllosilicate Clay: หลักการและการประยุกต์ใช้งาน

Hansol Ra^1,2, Sungsoon Kim^1,2, Taehoon Kim^1,2, Jihong Bae^1,2, Wooyoung Shim^1,2*

¹Department of Materials Science and Engineering, Yonsei University, Seoul 120-749, Korea, ²Center for Multi-Dimensional Materials, Yonsei University, Seoul 03722, Korea

[email protected]

Material Matters ™, 2022, 17.1 | วัสดุ Matters ™ Publications

บทนำ

การเกิดขึ้นของวัสดุ VAN DER WAals ได้เปิดสเปกตรัมของการวิจัยการสำรวจวัสดุชั้น 2 มิติ (3D)^1,2 วัสดุอนินทรีย์ที่มีประเภทชั้นและคุณสมบัติพื้นผิวที่หลากหลายได้รับความสนใจรวมถึงโบรอนไนไตรด์คาร์ไบด์โลหะเปลี่ยนและไนไตรด์ฟอสฟอรัสดำและโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์^{3 – 6} วัสดุเหล่านี้มีพันธะทางเคมีที่แข็งแกร่งในเครื่องบินแต่แรงที่อ่อนแอออกจากเครื่องบินแวนเดอร์วาลซึ่งช่วยให้บางส่วนของพวกเขาจะถูกขัดออกเป็นนาโนแผ่นสองมิติไม่กี่ชั้นผ่านวิธีการทางกายภาพหรือทางเคมี วัสดุที่ใช้งานได้จำนวนมาก 7 – 8 ถูกสร้างขึ้นใหม่จากนาโนชีท 2 มิติของวัสดุเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพสูงและผลลัพธ์ที่น่าสนใจในด้านวิทยาศาสตร์หลายด้าน^{8 – 10}  

อ่าวมีความอุดมสมบูรณ์ในธรรมชาติและมีความยั่งยืนพวกเขาสามารถแก้ไขได้ง่ายและแสดงความมั่นคงที่ดีเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิสูงและสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด เนื่องจากความต้องการวัสดุที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและประหยัดค่าใช้จ่ายยังคงสูงทำให้วัสดุที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับวัสดุรุ่นต่อไป แร่ธาตุจากดินเรียกว่าเป็นส่วนที่มีเม็ดละเอียดของธรณีวิทยาซึ่งประกอบด้วยอลูมิโนซิลิเกตปราศจากน้ำ¹¹ ขนาดของเมล็ดน้อยกว่า 2 μ m μm และส่วนใหญ่มี phyllosilicate หรือโครงสร้างแผ่นในการตั้งค่าธรรมชาติ แม้ว่าแร่ธาตุจากดินจะมีโครงสร้างมาตรฐานแต่การเปลี่ยนแปลงที่หลากหลายในการจัดเรียงทางเรขาคณิตของอะตอมและไอออนเกิดขึ้นภายในผลึกเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนในขณะที่สภาพดินฟ้าอากาศ (รูปที่ 1) ดังนั้นสมาชิกจำนวนมากสามารถอยู่ภายในกลุ่มครอบครัวเดียวกันที่มีองค์ประกอบและคุณสมบัติที่แตกต่างกัน การทำความเข้าใจอย่างถูกต้องเกี่ยวกับวัสดุ phyllosilicate เหล่านี้สามารถเปิดช่องทางใหม่สำหรับเยื่อหุ้มที่มีความหลากหลาย ในที่นี้เราได้ทบทวนความก้าวหน้าล่าสุดในวัสดุ phyllosilicate ของกลุ่มดินขาว, ไมกา, smectite และ vermiculite ด้วยความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของพวกเขา

รูปที่ 1 แผนผังของโครงสร้างผลึกของ phyllosilicates ในแต่ละกลุ่มเหมืองแร่ดินเหนียว 

ไพลโลซิเต 

Phyllosilicates หรือที่เรียกว่าแผ่นซิลิเกตสามารถจำแนกได้ตามโครงสร้างและโมเลกุลองค์ประกอบธาตุและคุณสมบัติบวม (รูปที่ 2A)¹² ประการแรกโครงสร้างดินเหนียวและการจัดเรียงของหน่วยโมเลกุลเป็นมาตรฐานที่ดี ดังที่แสดงใน รูปที่ 2 Bพื้นฐานของโครงสร้างซิลิเกตทั้งหมดคือ tetrahedron ซิลิเกต (แต่ละอันประกอบด้วยอะตอมซิลิกอนกลางล้อมรอบด้วยอะตอมออกซิเจนสี่ตัวที่มุมของ tetrahedron) การเชื่อมโยงข้ามสองมิติของไอออนซิลิกอนและออกซิเจนพื้นฐานจะสร้างแผ่นซิลิเกตหรือโครงสร้าง phyllosilicate ออกซิเจนพื้นฐานสามชนิดจะถูกเชื่อมโยงกันในลักษณะที่จะสร้างเครือข่ายรูปหกเหลี่ยมและออกซิเจนที่เหลืออยู่จะอยู่ใต้ระนาบฐาน ออกซิเจนปลายที่อยู่ด้านล่างของแผ่นสามารถสร้างพันธะกับไอออนโลหะอื่นๆได้ ไอออนโลหะที่เชื่อมต่อกันนี้ประสานกันแปดด้าน โพลีเฮดรอน Octahedral ประกอบด้วยไอออนที่ประสานกับออกซิเจนหกตัวหรือหน่วยไฮดรอกซิล การเชื่อมโยงของ cations tetrahedral และ octahedrally ประสานงานเป็นลักษณะพื้นฐานของ phyllosilicates โมเดลโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญคือโครงสร้าง 1:1 (กลุ่มดินขาว), โครงสร้าง 2:1 (ไมกา, smectite และกลุ่ม vermiculite) และโครงสร้างแซนด์วิช 2:1 (คลอไรต์) ในการทบทวนนี้เราจะมุ่งเน้นไปที่โครงสร้าง 1:1 และ 2:1 Pyrophyllite และแป้งทาตัวใช้เป็นแบบจำลองสำหรับแร่ธาตุของ dioctahedral (อลูมิเนียมที่อุดมด้วย) และโครงสร้าง trioctahedral (แมกนีเซียมที่อุดมไปด้วย) 2:1 

นอกจากนี้องค์ประกอบพื้นฐานของแร่ดินเหนียวช่วยให้เราสามารถแยกแยะความแตกต่างของ phyllosilicates ดังที่ได้กล่าวมาแล้วแร่ธาตุจากดินชนิดต่างๆสามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนในขณะที่สภาพดินฟ้าอากาศ พันธุ์ของเกาะที่พบในธรรมชาติจะเกิดขึ้นผ่านการแทนที่เทียบเท่าหรือไม่ใช่ stoichiometric ของ cations ในบริเวณ tetrahedral และ octahedral ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งคือการเปลี่ยนแปลงจำนวนไอออนทั้งหมดที่มีอยู่ในไซต์ Octahedral ประจุลบบนชั้นเซลล์ของยูนิตซิลิเกตของไอออนที่ถูกประสานกันแบบ tetrahedally จะเท่ากับไอออนออกซิเจนสี่ตัวหรือแปดประจุในขณะที่ประจุบนเซลล์ของยูนิตของชั้นที่ประสานกันแบบแปดส่วนจะเท่ากับหกหรือเท่าของไอออนออกซิเจนสามตัว ซึ่งจะนำไปสู่การเข้าพักสองประเภทของสถานที่ที่มีการประสานงานแปดส่วนโดยหนึ่งมีไอออนที่มีการแบ่งออกเป็นสามส่วน (trioctahedral) หรืออีกหนึ่งไอออนที่มีการแบ่งออกเป็นสองส่วน (dioctahedral)  

นอกจากนี้ยังมีเส้นทางที่หลากหลายเช่นการแทนที่ด้วย Octahedral, di-trioctahedral และ Octahedral-tetrahedral ตัวอย่างเช่น Si^{4 +} ในไซต์ tetrahedral สามารถแทนที่ด้วย Al^{3 +}และ mg^{2 +} ในไซต์ octahedral สามารถแทนที่ได้โดย Fe^{3 +} เพื่อรักษาสมดุลของค่าใช้จ่าย นอกจากนี้ยังสามารถมีการทดแทน interlayer ที่สมดุลด้วยไฟฟ้าโดยการเพิ่มไอออนอื่นบนพื้นผิวของแผ่นชั้นของเครือข่าย tetrahedral-octahedral โดยปกติแล้วไอออนจะมีประจุ +1 หรือ + 2 โดยมี Na, K, CA และ MG เป็นไอออนที่พบมากที่สุดที่มีอยู่ (รูปที่ 2B) โดยทั่วไปแล้วการทดแทนไตรวาเลนต์จะทำให้เกิดการทดแทน interlayer ในบริเวณ tetrahedral การแทนที่ในไซต์ octahedral นั้นหายากกว่ามาก ความแปรผันขององค์ประกอบส่งผลให้ขนาดเซลล์และการจัดเรียงอะตอมแตกต่างกันเนื่องจากความสัมพันธ์ของประจุของ polyhedra การเปลี่ยนโมโนคลินิกที่เกิดจากการแทนที่ไอออนิกสามารถผลิตโพลีไทป์ได้มากขึ้นภายในกลุ่มเดียวกัน  

สุดท้ายกลุ่ม Phyllosilicate สามารถแบ่งออกได้โดยความสามารถของพวกเขาในการบวมหรือดูดซับน้ำ แต่ละกลุ่มมีระยะห่างระหว่างชั้นที่ไม่ซ้ำกันเนื่องจากค่าพื้นผิวที่มีลักษณะเฉพาะ (รูปที่ 2 องศาเซลเซียส) ในกรณีของ kaolins (ค่ากลาง) และ micas (ค่าใช้จ่ายสูง) อาการบวมไม่เกิดขึ้นในขณะที่ smectites และกลุ่ม vermiculite (ทั้งสองค่าใช้จ่ายต่ำ) บวม 

2A

2B

2 องศาเซลเซียส

รูปที่ 2 การจำแนกประเภทของกลุ่มแร่ดินเหนียว  ก) ความสัมพันธ์ระหว่าง kaolinite, serpentine, pyrophyllite-talc, ไมกา, smectite, และกลุ่ม vermiculite ข) ภาพประกอบแผนผังของโครงสร้าง trioctahedral และ dioctahedral กับเว็บไซต์ intercalation และทางเดิน ค) ภาพประกอบแผนผังโครงสร้างชั้นของกลุ่ม phyllosilicate แต่ละกลุ่ม 

 

ความหนาของชั้น tetrahedral-octahedral ของกลุ่มดินขาวอยู่ที่ประมาณ 7 Ź¹ โคลน dioctahedral ภายในกลุ่มดินขาวตกอยู่ภายใต้กลุ่มย่อย kaolinite และ trioctahedral ภายใต้กลุ่มย่อย serpentine การแทนที่ทั้งหมดภายในโครงสร้าง 1: 1 ส่งผลให้เกิดตาข่ายเป็นกลางดังนั้นจึงไม่มีการบวมในตระกูลดินขาว 

สมาชิกของกลุ่มดินขาวทำหน้าที่เป็นวัตถุดิบอุตสาหกรรมที่สำคัญและมีความหลากหลายของการใช้งานในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ฟิลเลอร์และเคลือบ Kaolinite ที่รู้จักกันดีที่สุด 1: 1 ดินแร่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจมากมายสำหรับใช้เป็นพื้นผิวเช่นต้นทุนต่ำแหล่งที่มามากมายและความแข็งแรงเชิงกลสูง¹³ นอกเหนือจาก 2:1 โครงสร้าง phyllosilicate โครงสร้างดินขาวชั้นมีกลุ่ม hydroxyl มากมายใน interlayer คริสตัลและพื้นผิวแตกหักซึ่งเปิดโอกาสให้มีการปรับเปลี่ยนทางเคมีที่หลากหลาย  

โจวและคณะ รายงานการปลูกถ่ายอวัยวะที่อุดมไปด้วยคาร์บอกซิลที่ตกแต่งด้วยคาโอลิไนต์คอมโพสิต (PAA-KLN) ผ่านการปลูกถ่ายอวัยวะโพลี (กรดอะคริลิค) ผ่านวิธีการปลูกถ่ายอวัยวะแบบ UV (รูปที่ 3 A และ 3B)¹⁴ เนื่องจากคุณสมบัติของน้ำที่เหมาะสมของแปรงโพลี (กรดอะคริลิค) ฟรีเอนด์ของพวกเขาจะขยายไปสู่การแก้ปัญหาในการสร้างชั้น villus พื้นผิวนำไซต์การดูดซับที่เข้าถึงได้ง่ายจำนวนมาก ผลลัพธ์ PAA-KLN แสดงความสามารถในการดูดซับที่โดดเด่นสำหรับ Fe^{3 +}  189.63 mg/g และอัตราการดูดซับอย่างรวดเร็ว (ถึงสมดุลภายใน 40 นาที) (รูปที่ 3C) นอกจากนี้ PAA-KLN ยังแสดงการนำกลับมาใช้ใหม่ที่ยอดเยี่ยมด้วยอัตราส่วนการคายความร้อนสูงแม้ในความเข้มข้นต่ำของการลอกของเหลว (0.2 M HCl) แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการใช้งานที่ยอดเยี่ยมในการรีไซเคิลโลหะที่มีค่าจากน้ำเสีย (รูปที่ 3 มิติ) 

เช็งและคณะ ใช้ nano kaolinites ในการสร้างช่องนาโนฟลูออิดิกสองมิติที่ประกอบขึ้นด้วยตัวเองโดยการสร้างบล็อกอาคารนาโนเจนัสที่ใช้ kaolinite (รูปที่ 3E)¹⁵ ผ่านกระบวนการระเหยและการกรองสูญญากาศ, heteroStructures สองมิติจะถูกประกอบใหม่เป็นวัสดุชั้นเมมเบรนที่มีช่องไหลย่อยนาโนเมตรและนาโนเมตรกว้างประมาณ 6.8 และ 13.8 Å (รูปที่ 3F) การนำไอออนอิ่มตัวที่ความเข้มข้นต่ำและความสัมพันธ์เชิงเส้นของขนาดของกระแสไอออนสตรีมมิ่งที่เกี่ยวกับอัตราการไหลที่ใช้แสดงข้อสังเกตที่คล้ายกันที่พบในกรณีของอุปกรณ์นาโนฟลูอิดีกช่องทางเดียว (รูปที่ 3 กรัม และ 3 ชั่วโมง) ยิ่งไปกว่านั้นความหนาแน่นของกำลังส่งออกจากเยื่อหุ้มไคโอไลต์นาโนที่สร้างขึ้นใหม่ (RKM) เข้าใกล้ 0.18 W m^-2 และการแปลงพลังงานไฟฟ้าเชิงกลสูงอย่างน่าทึ่งเมื่อเทียบกับ GOM (รูปที่ 3I)  

3A

3B

3 องศาเซลเซียส

3 มิติ

3 อี

ชั้น 3

3 กรัม

3 ชม

3 นิ้ว

รูปที่ 3 การผลิตและประสิทธิภาพของเยื่อหุ้มที่ใช้ kaolinite ก) แผนการเตรียมตัวดูดซับ PAA-KLM b) SEM และมุมสัมผัสน้ำของ KLN, M-KLM, PAA-KLN c) เวลาการฟื้นฟูและรอบสำหรับการประเมินผลการดำเนินงานของ PAA-KLN d) การเปรียบเทียบความสามารถในการดูดซับระหว่าง KLN, M-KLN และ PAA-KLN ดัดแปลงมาจาก permisson อ้างอิง 14 ลิขสิทธิ์ 2018 Elsevier e) การประกอบและการสร้างแผ่นนาโนเจนัส 2 มิติด้วยตนเองด้วยรูปแบบ XRD f) การถ่ายภาพการตรวจสอบ RKM และ SEM บนภาพตัดขวางของ RKM g) แผนของการตั้งค่าการทดลองและการตอบสนองเชิงเส้นปัจจุบันแรงดันไฟฟ้าที่ความเข้มข้น KCL ที่แตกต่างกัน h) กระแสสตรีมมิ่งที่สร้างขึ้นจาก RKM ที่ค่า pH แตกต่างกันi) กระแสไอออนสตรีมมิ่งที่สร้างขึ้นจาก RKM เมื่อเทียบกับ GOM ที่ค่า pH แตกต่างกัน ดัดแปลงมาจาก permisson อ้างอิง 15 ลิขสิทธิ์ 2017 John Wiley and Sons

 

แร่ธาตุจากดินเหนียวภายในกลุ่มไมกามีประจุสูง (อายุ 0.9 – 1.0 ปี) ในไมโครเวฟมีความไม่สมดุลของประจุเนื่องจากการแทนที่ไอออนบนโครงสร้างพื้นฐาน 2:1 ซึ่งได้รับการชดเชยโดยไอออนระหว่างชั้นโพแทสเซียมเกือบจะไม่ซ้ำกันคงที่ระหว่างชั้นและพันธะชั้นเข้าด้วยกัน¹¹ แม้ว่าไมโครเวฟจะมีคุณสมบัติที่น่าสนใจมากมายเช่นศักยภาพของพื้นผิวสูงความโปร่งใสของแสงที่มองเห็นได้การป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตความยืดหยุ่นฉนวนกันความร้อนไฟฟ้า ความเสถียรในอุณหภูมิและความทนทานต่อสารเคมีการขัดผิวของนาโนแผ่นเดียวที่มีอัตราส่วนสูงและโครงสร้างชั้นเป็นเรื่องยากเนื่องจากการเชื่อมต่อระหว่างชั้นที่แข็งแกร่ง^{16 – 17} 

ในปี 2015 เจี่ยและคณะ รายงานความสำเร็จในการผลิตฟิล์มยืนตัวเองโดยการขัดผิวของ monolayer muscovite ที่มีเสถียรภาพผ่านการขยายระยะห่างด้วย OTA^{+ ห่วงโซ่ยาว} (รูปที่ 4 A และ 4B)¹⁷ สามปีต่อมาในปี 2018 แพนและคณะ ได้รายงานฟิล์มไมกาโพลีเมอร์ไบโอเมตริกที่มีประสิทธิภาพสูงด้วยความช่วยเหลือของการแทรกแซง CTA และ ultrasonication ในเอทานอล (รูปที่ 4C)¹⁸ ภาพยนตร์ประดิษฐ์แสดงให้เห็นถึงโครงสร้างการลามินาร์ที่ดี (รูปที่ 4 มิติ), ความแข็งแรงเชิงกลที่ดีเยี่ยม (259 MPa และ 16.2 GPA ที่มีเนื้อหาไมกา 60 wt.%), และอุปกรณ์สังเคราะห์ AS (รูปที่ 4E) แสดงการนำไฟฟ้าที่ดี (~ 0.6 S ซม.^-1) (รูปที่ 4 F)และประสิทธิภาพในมุมดัดที่หลากหลาย (รูปที่ 4 G) ทำให้ฟิล์มไมกาพอลิเมอร์เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมในการทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นใหม่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่นและโปร่งใสเช่นเครื่องตรวจจับแสง 

ก

ข

ค

ความลึก

จ

F

G

รูปที่ 4 การผลิตและประสิทธิภาพของเยื่อหุ้มที่ใช้ไมกา ก) การแสดงแผนผังของการเตรียม muscovite 2 มิติ ข)  รูปแบบ XRD และภาพ SEM ของ OTA-M750 ดัดแปลงโดยได้รับอนุญาตจากอ้างอิง 17 ลิขสิทธิ์ 2015 RSC Publishing ค) ภาพประกอบแผนผังแสดงกระบวนการขัดผิวของไมกาพื้นธรรมชาติเข้าไปในนาโนชีต eMica ผ่านการแทรกแซงกับ CTAB PEI-eMica nanosheets ถูกนำมาผสมกับโซลูชัน CS เพื่อผลิตฟิล์มไมกาโพลิเมอร์โดยวิธีการเคลือบด้วยสเปรย์ d) ถ่ายภาพและภาพ SEM แบบตัดขวาง (แถบสเกล, 2 µm) ของฟิล์มโพลีเมอร์ไมกา 60 wt.% e) ภาพประกอบวงจรของอุปกรณ์ที่มีฟิล์มโพลีเมอร์ไมกา 60 wt.% เป็นสารตั้งต้น f) เส้นโค้ง I – V ของอุปกรณ์ที่วัดในที่มืดและเมื่อส่องสว่างด้วยแสง (450 nm, 180 mW ซม.^-2แบนและงอ) g) สเปกตรัมการตอบสนองเวลาของอุปกรณ์ที่จะพัลส์แสงที่ V = 1 V ดัดแปลงโดยได้รับอนุญาตจากการอ้างอิง 18 ลิขสิทธิ์ 2018 Springer Nature 

 

สมาชิกที่สำคัญที่สุดและเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายของกลุ่ม smectite คือ montmorillonite, beidellite, nontronite, saponite และ hectorite พวกเขาจะแตกต่างกันโดยการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับการแทนที่ในสถานที่ tetrahedral และ octahedral¹¹ 

โครงสร้างองค์ประกอบทางเคมีชนิดไอออนที่แลกเปลี่ยนได้และขนาดคริสตัลเล็กๆของ smectite clays มีหน้าที่รับผิดชอบต่อคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์หลายประการรวมถึงพื้นที่ผิวที่ใช้งานทางเคมีขนาดใหญ่ความสามารถในการแลกเปลี่ยนไอออนสูงพื้นผิว interlamellar มีลักษณะความชุ่มชื้นที่ผิดปกติและบางครั้งความสามารถในการปรับเปลี่ยนพฤติกรรมการไหลของของเหลว¹⁹ แตกต่างจากไมโครเวฟ Smectites มีโครงสร้างที่ชาร์จไฟได้ต่ำ 2: 0.2 (ชาร์จ 0.9 ครั้ง) ไอออนที่ถูกจับอย่างหลวมๆจะชดเชยความไม่สมดุลของประจุสุทธิบนเครือข่าย tetrahedral-octahedral ในตำแหน่ง interlayer ซึ่งสามารถแลกเปลี่ยนในสารละลายได้อย่างง่ายดาย ระยะห่างฐานอาจแตกต่างกันไปตั้งแต่ 1 ถึง 2 nm ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความชื้น¹² 

การขัดผิวของมอนโตริลโลไนต์คุณภาพสูงนั้นค่อนข้างง่ายเมื่อเทียบกับไมโคลัสเนื่องจากมีการยึดเกาะและมีคุณสมบัติบวมอย่างหลวมๆ ดังนั้นฟิล์ม Montmorillonite โดยทั่วไปจะผลิตผ่านการกระจายตัวที่เรียบง่ายและการกรองสูญญากาศ นอกจากนี้ระยะห่างระหว่างชั้นที่มากสามารถทำหน้าที่เป็นตัวกรองแยกโมเลกุลหรือแม้กระทั่งการขนส่งไอออนิกเมื่อปรับจูน 

ฮวงและคณะ รายงานว่าเมมเบรนแบบชั้น 2 มิติแบบใหม่ที่ใช้แผ่นนาโนมอนโตริลโลไนต์ (MMT) ที่จัดทำขึ้นโดยการกรองสูญญากาศบนพื้นผิวไนล่อน (รูปที่ 5 และ 5 บี)²⁰ เมมเบรน MMT แบบสองมิติแสดงให้เห็นถึงการซึมผ่านของน้ำที่ดีเยี่ยม ( บาร์ 212.2 ลิตร/เมตร -25 ชั่วโมง) และอัตราการปฏิเสธสูง (ร้อยละ 95) สำหรับโมเลกุลสีย้อม DB38 (รูปที่ 6C) นอกจากนี้นาโนช่องในเมมเบรน MMT และริ้วรอยบนแผ่นนาโน MMT มีความแข็งพอที่จะต้านทานแรงดันภายนอกได้ถึง 0.35 MPa เมมเบรน MMT ของ lamellar ยังมีคุณสมบัติการยับยั้งน้ำที่โดดเด่นและคุณสมบัติป้องกันการแข็งตัวที่ยอดเยี่ยมโดยมี FRR อยู่ที่ 2 ร้อยละ 88 (รูปที่ 5 มิติ) 

หลิวและคณะ ทำอาร์เรย์นาโนสองมิติขึ้นอยู่กับเมมเบรน MMT ที่มีความยืดหยุ่นกับ monolayers ซ้อนกันดี พวกเขาสังเกตพฤติกรรมการขนส่งไอออนภายในช่องนาโน (รูปที่ 5 E และ 5F)²¹ กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับอคติและความชันของ เส้นโค้ง I-V เหล่านี้สอดคล้องกับการนำไฟฟ้าไอออนภายในนาโนแชนแนล 2 มิติ ยิ่งไปกว่านั้นการนำไอออนเริ่มเบี่ยงเบนจากความสัมพันธ์เชิงเส้นที่ 10^-4 M พฤติกรรมการขนส่งไอออนบ่งชี้ว่าอิเล็กโทรไลต์ไอออนจะโยกย้ายได้อย่างอิสระภายในช่องนาโนสองมิติ ที่สูงกว่า 10 -4 M แต่การนำไอออนที่ควบคุมการชาร์จบนพื้นผิวมีความโดดเด่นต่ำกว่า 10 -4 M (รูปที่ 5G) ความหนาแน่นของประจุผิวของนาโนแชนแนลจะถูกกำหนดให้เป็น ∼0.0077 MC m^-2และอัตราส่วนการเคลื่อนที่ของไอออนิก (μ₊/μ-) ผ่านนาโนแชนแนล 2 มิติคำนวณได้ประมาณ 8.2 สำหรับสารละลายอิเล็กโทรไลต์ KCI ไดโอดนาโนอฟลูอิเล็กทริกแบบอสมมาตรแสดงการเรียงกระแสไอออนิกด้วยปัจจัยการเรียงตัวใหม่ ~ 2.6 สำหรับอิเล็กโทรไลต์ KCI (รูปที่ 5 ชม.) 

โจวและคณะ ประสบความสำเร็จในการประดิษฐ์เมมเบรน MMT ที่ดัดแปลง CTAB (รูปที่ 5 I และ 5 เจ)²² CTAB ที่ติดอยู่ทั้งสองด้านของแผ่นนาโน MMT ที่มีประจุลบสนับสนุนนาโนแชนเนลเป็นเสาและมีบทบาทสำคัญในการจับโมเลกุลของสีย้อม เมมเบรนแสดงให้เห็นถึงความมั่นคงสูงในน้ำภายใต้การแช่, การตรึงและเงื่อนไข ultrasonication สั้น ไม่เพียงเท่านั้นแต่ยังสามารถใช้สำหรับการแปลงพลังงานการไล่ระดับความเค็มได้อีกด้วย ความหนาแน่นของพลังงานเอาต์พุต 0.18 W m^-2 ทำได้ภายใต้การไล่ระดับความเข้มข้นของเกลือ 1000 เท่าโดยมีความหนาของเมมเบรน 11.2 μm (รูปที่ 5K) เยื่อเหล่านี้ยังแสดงให้เห็นถึงการซึมผ่านของน้ำ 429 ลิตร m^-2 ชั่วโมง^-1 ATM^-1 ที่มีความหนา 2.5 μm สูงกว่าเยื่ออื่นๆที่มีความหนาเท่ากัน พวกเขายังแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการแยกสูงสำหรับสีย้อมทั้งบวกและลบ กลุ่มไฮดรอกซิลบนขอบของแผ่นนาโน MMT มีน้ำในขณะที่นาโนช่องจะไม่ชอบน้ำ ; สลับนาโนไม่ชอบน้ำและน้ำนาโนช่องสามารถส่งเสริมการซึมผ่านต่อไป การรวมกันของการขนส่งไอออนนาโนฟลูออิกและการแยกโมเลกุลผ่านช่องทาง 2 มิตินำเสนอคุณสมบัติที่มีคุณค่าในการสร้างเยื่อมัลติฟังก์ชั่นอัจฉริยะใหม่ที่สามารถเก็บพลังงานในขณะที่ทำให้น้ำเสียบริสุทธิ์

ก

ข

ค

ความลึก

จ

F

G

ความสูง

ฉัน

J

เค

รูปที่ 5 การผลิตและประสิทธิภาพของเมมเบรนที่ใช้งานแบบ smectite ก)  การเตรียมเมมเบรน MMT 2 มิติ ข) ภาพ SEM ของพื้นผิวเมมเบรน MMT, ภาพตัดขวางและภาพดิจิตอลของเมมเบรน MMT c) การแยกการแสดงของเมมเบรน MMT lamellar hydrated โดยใช้การกรองแบบตายตัว d) ผลของความชุ่มชื้นของเมมเบรนต่อประสิทธิภาพการแยกของเมมเบรน MMT ดัดแปลงโดยได้รับอนุญาตจากอ้างอิง 20 ลิขสิทธิ์ 2020 Elsevier e) แผนภาพโครงสร้างของคริสตัล MMT และภาพประกอบวงจรของการก่อสร้างอาร์เรย์นาโน 2 มิติตามเมมเบรน MMT lamellar ฉ) ภาพดิจิตอล MMT เมมเบรนและภาพตัดขวาง SEM g) แผนภาพแผนผังของอุปกรณ์นาโน 2 มิติที่มี แผนการ I-V ตัวแทนของอุปกรณ์นาโน 2 มิติภายใต้ความเข้มข้นที่แตกต่างกันของสารละลาย KCL ที่อุณหภูมิห้องและการนำไอออนเมื่อเทียบกับความเข้มข้นของ KCL h) ปัจจัยการปรับสภาพเป็นหน้าที่ของอคติที่ใช้ที่อิเล็กโทรไลต์ KCI ที่มีความเข้มข้นต่างๆ ดัดแปลงโดยได้รับอนุญาตจากอ้างอิง 21 ลิขสิทธิ์ 2018 American Chemical Society i) การสร้างเมมเบรน MMT (RMM) ที่สร้างขึ้นใหม่ ญ) ภาพ TEM ภาพถ่ายดิจิตอลและภาพ SEM แบบตัดขวางของ RMM K) การเปรียบเทียบการสร้างพลังงานและการซึมผ่าน/การปฏิเสธของ RMM ดัดแปลงโดยได้รับอนุญาตจากอ้างอิง 22 ลิขสิทธิ์ 2019 Royal Society of Chemistry 

Vermiculite Group

โดยทั่วไปแล้ว Vermiculites จะเป็น trioctahedral และจะเรียกว่าโดยอิงจากประจุเลเยอร์ลบระหว่าง 0.5 ถึง 0.9 พวกเขาจะเกิดขึ้นส่วนใหญ่โดยการเอาโพแทสเซียมจาก biotite, phlogopite หรือ muscovite ซึ่งเป็นเหตุผลที่เคมีของพวกเขามีการเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับไมกา¹¹  

โครงสร้าง Vermiculite ประกอบด้วยชั้นน้ำ interlamellar ซึ่งอยู่ภายใต้กระบวนการความชุ่มชื้นและการคายน้ำ ประเภทของการซ้อนกันของไอออนจะควบคุมคุณสมบัติความชุ่มชื้นของไอออน ยิ่งประจุไอออนน้อยลงหรือน้อยลงพื้นที่อินเตอร์เลเยอร์ก็จะมากขึ้น ตัวนับเหล่านี้ถูกจำกัดอยู่ในชั้น vermiculite ที่อยู่ติดกันมีการนำไอออนภายในสูงเป็นพิเศษ Vermiculite สามารถขัดผิวได้ง่ายในน้ำโดยใช้วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนซึ่งเป็นสีเขียวมากขึ้นและ facile มากกว่าวิธีการขัดผิวทางเคมีที่ใช้กันทั่วไปสำหรับ graphene oxides หรือ Mxenes¹⁰

ชาโอและคณะ ผลิตฟิล์มเวอร์มิคูไลต์แบบตั้งพื้นด้วยตนเองโดยการขัดแผ่นเซลลูไลท์ (รูปที่ 6 เอ - ซี)²³ วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนถูกนำมาใช้สำหรับการผลิตที่คล้ายกับของเปลือกบวมอื่นๆ ความหนาแน่นของประจุพื้นผิวบนผนัง vermiculite และการเคลื่อนที่ของโปรตอนถูกกำหนดให้อยู่ ที่ประมาณ 1.4 MC m^{2 และ 1.2 x 10 -3 ซม. -2} V^-1 s^-1เทียบได้กับตัวนำโปรตอนเชิงพาณิชย์ Nafion (รูปที่ 6 D และ 6E) ฟิล์มที่ผลิตมีความคงตัวทางความร้อนที่ไม่ธรรมดาและรักษาคุณสมบัติการบวมแม้หลังจากการหลอมในอากาศที่อุณหภูมิสูง 

เมื่อเร็วๆนี้โจโฉและคณะ ประสบความสำเร็จในการผลิตเยื่อหุ้มเซลล์ vermiculite ที่มีช่องนาโนสองมิติที่มีประสิทธิภาพที่โดดเด่นในการแปลงพลังงานนาโนออสโมติก²⁴ กระบวนการผลิตก็เหมือนกันยกเว้นพวกเขาใช้สารละลาย HCl ในการทำนาโนโปเรสในเครื่องบินบนนาโนแผ่น vermiculite เพื่อลดความพรุนและเสนอเส้นทางไอออนแนวตั้งเพิ่มเติม (รูปที่ 6 และ 6 กรัม) เมมเบรน vermiculite ที่มีรูพรุนได้รับความหนาแน่นพลังงานสูงสุด 10.9 W m^-2 ที่การไล่ระดับความเค็ม 1000 เท่ามีประสิทธิภาพสูงกว่าเมมเบรน lamellar แบบ 2 มิติที่มีคุณสมบัติในตัวมากที่สุด (รูปที่ 6H) ค่าใช้จ่ายชั้นสูงเมื่อเทียบกับ smectites และการขัดผิวที่ง่ายขึ้นของนาโนแผ่นเมื่อเทียบกับไมโครให้ vermiculites ข้อดีของการใช้สำหรับวัสดุก่อสร้างสำหรับเยื่อนาโนดินเหนียวที่มีประสิทธิภาพสูง ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานออสโมติกที่ยอดเยี่ยมของเมมเบรน vermiculite ที่มีรูพรุนนั้นมาจากเส้นทางการขนส่งไอออนแนวนอนและแนวตั้งที่ช่วยอำนวยความสะดวกในการไหลของไอออน (รูปที่ 6 I)

ก

ข

ค

ความลึก

จ

F

G

ความสูง

ฉัน

รูปที่ 6 การผลิตและประสิทธิภาพของเยื่อหุ้มเซลลูไลท์นาโนฟลูออิก ก) รูปแบบโครงสร้างของชั้น vermiculite ข) เมมเบรนเวอร์มิคูไลต์แบบยืดหยุ่นและภาพ SEM แบบตัดขวาง c) ภาพประกอบแผนผังและภาพดิจิตอลของอุปกรณ์นาโน vermiculite d) ตัวแทน I-V โค้งผ่านช่อง 2 มิติ e) การนำไฟฟ้าไอออนเป็นหน้าที่ของความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ ดัดแปลงโดยได้รับอนุญาตจากการอ้างอิง 23 ลิขสิทธิ์ 2015 Springer Nature ฉ) การเตรียมและการกำหนดลักษณะของ vermiculite ที่มีรูพรุน (PV) nanosheets และเยื่อ lamellar (PVM) g) ภาพ AFM ของนาโนแผ่น PV, ภาพ SEM ของ PVMS และภาพ SEM ของการสนับสนุน PES microporous h) การแสดงแผนผังของการตั้งค่าการทดลองและพล็อตของศักยภาพออสโมติกที่สร้างขึ้นและความหนาแน่นของพลังงาน I) ภาพประกอบแผนผังที่เน้นเส้นทางของความต้านทานต่ำสุดของการขนส่งไอออนใน PVM สร้างฟลักซ์สูงในขณะที่ทางเดินที่คดเคี้ยวสูงใน NPVM นำไปสู่ความต้านทานสูงและฟลักซ์ไอออนต่ำ ดัดแปลงโดยได้รับอนุญาตจากอ้างอิง 24 ลิขสิทธิ์ 2021 Royal Society of Chemistry 

สรุป 

ในการทบทวนนี้เราได้กล่าวถึงการประยุกต์ใช้วัสดุ phyllosilicate 1:1 และ 2:1 ในเทคโนโลยีเมมเบรนรวมถึงความเข้าใจทางเรขาคณิตขั้นพื้นฐานของโครงสร้างชั้นของพวกเขา แร่ธาตุจากดินมีคุณสมบัติเฉพาะที่ช่วยให้สามารถนำมาใช้อย่างเหมาะสมสำหรับการสร้างบล็อกของเมมเบรนแบบลามินาร์โดยมีหรือไม่มีการปรับเปลี่ยนทางเคมี การทำความเข้าใจคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของวัสดุ phyllosilicate สามารถช่วยให้เราพัฒนาข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการใช้งานที่เป็นไปได้  

การตอบรับ 

งานนี้ได้รับการสนับสนุนโดยโครงการนวัตกรรมเทคโนโลยี (พ. ศ. 20012430) ที่ได้รับทุนสนับสนุนจากกระทรวงการค้าอุตสาหกรรมและพลังงาน (MOTIE ประเทศเกาหลี) 

ผลงานของผู้เขียน 

เอช. อาร์ดำเนินการวิจัยวิเคราะห์ข้อมูลและมีส่วนร่วมในการเขียนกระดาษ W.S. รู้สึกกำกับดูแลและดูแลการวิจัยและมีส่วนร่วมในการเขียนกระดาษ เอสเคทีเคเจบีเอชเคและเจวายสนับสนุนการวิจัยและวิเคราะห์ข้อมูล ผู้เขียนทั้งหมดแสดงความคิดเห็นบนต้นฉบับ 

ผลประโยชน์ที่ แข่งขันกัน

ผู้เขียนประกาศว่าไม่มีผลประโยชน์ทับซ้อน 

ข้อมูลอ้างอิง

1. Stankovich S, Dikin DA, Dommett GHB, Kohlhaas KM, Zimney EJ, Stach EA, Piner RD, Nguyen ST, Ruoff RS. 2006. Graphene-based composite materials. Nature. 442(7100):282-286. https://doi.org/10.1038/nature04969

2. Wehling TO, Novoselov KS, Morozov SV, Vdovin EE, Katsnelson MI, Geim AK, Lichtenstein AI. 2008. Molecular Doping of Graphene. Nano Lett.. 8(1):173-177. https://doi.org/10.1021/nl072364w

3. Wang QH, Kalantar-Zadeh K, Kis A, Coleman JN, Strano MS. 2012. Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nature Nanotech. 7(11):699-712. https://doi.org/10.1038/nnano.2012.193

4. Xu M, Liang T, Shi M, Chen H. 2013. Graphene-Like Two-Dimensional Materials. Chem. Rev.. 113(5):3766-3798. https://doi.org/10.1021/cr300263a

5. Wang F, Zi W, Zhao BX, Du HB. 2018. Facile Solution Synthesis of Red Phosphorus Nanoparticles for Lithium Ion Battery Anodes. Nanoscale Res Lett. 13(1): https://doi.org/10.1186/s11671-018-2770-4

6. Park J, Das D, Ahn M, Park S, Hur J, Jeon S. 2019. Improved optical performance of multi-layer MoS2 phototransistor with see-through metal electrode. Nano Convergence. 6(1): https://doi.org/10.1186/s40580-019-0202-5

7. Nicolosi V, Chhowalla M, Kanatzidis MG, Strano MS, Coleman JN. 2013. Liquid Exfoliation of Layered Materials. Science. 340(6139): https://doi.org/10.1126/science.1226419

8. Gao J, Feng Y, Guo W, Jiang L. Nanofluidics in two-dimensional layered materials: inspirations from nature. Chem. Soc. Rev.. 46(17):5400-5424. https://doi.org/10.1039/c7cs00369b

9. Vo TS, Vo TTBC, Suk JW, Kim K. 2020. Recycling performance of graphene oxide-chitosan hybrid hydrogels for removal of cationic and anionic dyes. Nano Convergence. 7(1): https://doi.org/10.1186/s40580-019-0215-0

10. Hussein MA, El-Said WA, Abu-Zied BM, Choi J. 2020. Nanosheet composed of gold nanoparticle/graphene/epoxy resin based on ultrasonic fabrication for flexible dopamine biosensor using surface-enhanced Raman spectroscopy. Nano Convergence. 7(1): https://doi.org/10.1186/s40580-020-00225-8

11. Barton C. 2002. Clay Minerals. New York, New York: Marcel Dekker, 187-192.

12. Velde B. 1992. Introduction to Clay Minerals: Chemistry, Origins, Uses and Environmental Significance. Springer: Springer Dordrecht.

13. Li X, Liu Q, Cheng H, Zhang S, Frost RL. 2015. Mechanism of kaolinite sheets curling via the intercalation and delamination process. Journal of Colloid and Interface Science. 44474-80. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2014.12.039

14. Zhou Q, Fu Y, Zhang X, Luo T, Luo W. 2018. Light induced growth of polyelectrolyte brushes on kaolinite surface with superior performance for capturing valuable rare-earth Ce 3+ from wastewater. Materials Science and Engineering: B. 22789-99. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2017.10.013

15. Cheng H, Zhou Y, Feng Y, Geng W, Liu Q, Guo W, Jiang L. 2017. Electrokinetic Energy Conversion in Self-Assembled 2D Nanofluidic Channels with Janus Nanobuilding Blocks. Adv. Mater.. 29(23):1700177. https://doi.org/10.1002/adma.201700177

16. POPPER P. 1951. Transmission of Natural and Synthetic Mica in the Ultra-Violet. Nature. 168(4287):1119-1120. https://doi.org/10.1038/1681119b0

17. Jia F, Song S. Preparation of monolayer muscovite through exfoliation of natural muscovite. RSC Adv.. 5(65):52882-52887. https://doi.org/10.1039/c5ra07749d

18. Pan X, Gao H, Lu Y, Wu C, Wu Y, Wang X, Pan Z, Dong L, Song Y, Cong H, et al. 2018. Transforming ground mica into high-performance biomimetic polymeric mica film. Nat Commun. 9(1): https://doi.org/10.1038/s41467-018-05355-6

19. Odom I. Odom, I. E. 1984. Smectite clay Minerals: Properties and Uses. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 311 (1517), 391–409.

20. Huang M, Chen Y, Yan X, Guo X, Dong L, Lang W. 2020. Two-dimensional Montmorillonite membranes with efficient water filtration. Journal of Membrane Science. 614118540. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118540

21. Liu M, Huang M, Tian L, Zhao L, Ding B, Kong D, Yang Q, Shao J. 2018. Two-Dimensional Nanochannel Arrays Based on Flexible Montmorillonite Membranes. ACS Appl. Mater. Interfaces. 10(51):44915-44923. https://doi.org/10.1021/acsami.8b17719

22. Zhou Y, Ding H, Smith AT, Jia X, Chen S, Liu L, Chavez SE, Hou Z, Liu J, Cheng H, et al. Nanofluidic energy conversion and molecular separation through highly stable clay-based membranes. J. Mater. Chem. A. 7(23):14089-14096. https://doi.org/10.1039/c9ta00801b

23. Shao J, Raidongia K, Koltonow AR, Huang J. 2015. Self-assembled two-dimensional nanofluidic proton channels with high thermal stability. Nat Commun. 6(1): https://doi.org/10.1038/ncomms8602

24. Cao L, Wu H, Fan C, Zhang Z, Shi B, Yang P, Qiu M, Khan NA, Jiang Z. Lamellar porous vermiculite membranes for boosting nanofluidic osmotic energy conversion. J. Mater. Chem. A. 9(25):14576-14581. https://doi.org/10.1039/d1ta02400k