Khoáng vật đất sét phyllosilicat: Nguyên tắc và ứng dụng

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 | Material Matters™ Publications

Giới thiệu

Sự xuất hiện của vật liệu van der Waals đã mở ra một phổ nghiên cứu khám phá vật liệu hai chiều (2D) lớp.^1,2 vật liệu vô cơ với các loại lớp và tính chất bề mặt đa dạng đã thu hút được sự chú ý, bao gồm bo nitrua kim loại chuyển tiếp và nitrua kim loại, phốt pho đen và molypden disulfua.^3–6 Tất cả các vật liệu này đều có liên kết hóa học trong mặt phẳng mạnh nhưng yếu lực van der Waals ngoài mặt phẳng, cho phép một số trong số chúng được tẩy tế bào thành các tấm nano hai chiều ít lớp thông qua các phương tiện vật lý hoặc hóa học.^7–8 Nhiều vật liệu chức năng đã được xây dựng lại từ 2D nanô của các vật liệu này, cho thấy hiệu suất cao và kết quả đầy hứa hẹn trong nhiều lĩnh vực khoa học.^8-10  

Đất sét rất phong phú trong tự nhiên và bền vững; chúng có thể dễ dàng sửa đổi và cho thấy sự ổn định tốt khi tiếp xúc với nhiệt độ cao và môi trường axit. Vì nhu cầu vật liệu thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí vẫn cao, đất sét là những ứng cử viên hấp dẫn cho vật liệu thế hệ tiếp theo. Các khoáng vật đất sét được gọi là các phần hạt mịn của địa chất bao gồm chủ yếu là các aluminosilicat hydrat.¹¹ Kích thước hạt của chúng có đường kính nhỏ hơn 2 μm, và hầu hết có cấu trúc phyllosilicat hoặc tấm trong môi trường tự nhiên. Mặc dù khoáng vật đất sét có cấu trúc tiêu chuẩn, các biến đổi đa dạng trong sự sắp xếp hình học của các nguyên tử và ion xảy ra trong tinh thể do những thay đổi hóa học hoặc biến đổi nhiệt trong khi phong hóa (Hình 1). Do đó, nhiều thành viên có thể tồn tại trong cùng một nhóm gia đình với các thành phần và tính chất khác nhau. Hiểu đúng cách các vật liệu phyllosilicat này có thể mở ra những con đường mới cho các màng chức năng đa dạng. Ở đây, chúng tôi xem xét những tiến bộ gần đây trong các vật liệu phyllosilicat của kaolin, mica, smectit và vermiculite nhóm với sự hiểu biết cơ bản về tính chất vật lý và hóa học của chúng.

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc tinh thể của phyllosilicat trong mỗi nhóm khoáng vật đất sét. 

Phyllosilicat 

Phyllosilicat, còn được gọi là silicat tấm, có thể được phân loại theo sự sắp xếp cấu trúc và phân tử của chúng, thành phần nguyên tố và đặc tính sưng (Hình 2A).¹² Trước tiên, cấu trúc đất sét và sự sắp xếp của các đơn vị phân tử là tiêu chuẩn tốt. Như thể hiện trong Hình 2B, nền tảng của tất cả các cấu trúc silicat là tứ diện silicat (mỗi cấu trúc bao gồm một nguyên tử silic trung tâm được bao quanh bởi bốn nguyên tử oxy ở các góc của một tứ diện). Liên kết chéo hai chiều của các ion silicon và oxygen cơ bản tạo thành lớp silicat hoặc cấu trúc phyllosilicat. Ba oxygen cơ bản được liên kết với nhau theo cách để tạo thành một mạng hình lục giác, và oxy còn lại nằm dưới mặt phẳng cơ sở. Oxy đỉnh nằm ở dưới cùng của tấm có thể hình thành liên kết với các ion kim loại khác. Ion kim loại liên kết này được phối hợp bát diện. Khối đa diện bát diện chứa một cation phối hợp với sáu đơn vị oxygens hoặc hydroxyl. Sự liên kết của các cation tứ diện và bát diện là đặc tính cơ bản của phyllosilicat. Các mô hình cấu trúc cơ bản chính là cấu trúc 1:1 (nhóm kaolin), cấu trúc 2:1 (mica, smectit, và nhóm vermiculite), và cấu trúc bánh mì 2:1 (clorit). Trong đánh giá này, chúng ta sẽ tập trung vào các cấu trúc 1:1 và 2:1. Pyrophyllit và talc được sử dụng như một mô hình cho các khoáng chất của cấu trúc hai mặt (giàu nhôm) và ba bát diện (giàu magiê) 2:1. 

Hơn nữa, thành phần cơ bản của khoáng vật đất sét giúp chúng ta phân biệt phyllosilicat. Như đã đề cập, các loại khoáng vật đất sét đa dạng có thể tồn tại do thay đổi hóa học hoặc biến đổi nhiệt trong khi phong hóa. Các loại đất sét được tìm thấy trong tự nhiên được hình thành thông qua sự thay thế tương đương hoặc không cân bằng của các cation trong các vị trí tứ diện và bát diện. Một khả năng là sự thay đổi trong tổng số ion hiện diện trong vị trí bát diện. Điện tích âm trên một tế bào đơn vị silicat lớp của các ion phối hợp tứ diện tương đương với bốn ion oxy hoặc tám điện tích, trong khi điện tích trên tế bào đơn vị của lớp phối hợp bát diện là sáu hoặc ba ion oxy. Điều này dẫn đến hai loại chiếm chỗ của các vị trí phối hợp bát diện, một với ba ion hóa trị hai (ba bát diện) hoặc một với hai ion hóa trị ba (nhị diện).  

Hơn nữa, các con đường đa dạng như bát diện, di-ba bát diện, và sự thay thế bát diện-tứ diện tồn tại. Ví dụ, Si⁴⁺ ở vị trí tứ diện có thể được thay thế bằng Al³⁺và Mg²⁺ ở vị trí bát diện có thể được thay thế bằng Fe³⁺ để cân bằng điện tích. Nó cũng có thể có sự thay thế giữa các lớp tĩnh điện bằng cách thêm một ion khác trên bề mặt của lớp của mạng tứ diện-bát diện. Thông thường, ion có điện tích +1 hoặc +2, với Na, K, Ca và Mg là các ion phổ biến nhất hiện diện (Hình 2B). Sự thay thế ba lớp thường gây ra sự thay thế giữa các lớp trong vị trí tứ diện. Sự thay thế ở vị trí bát diện là hiếm hơn nhiều. Sự biến đổi thành phần dẫn đến các kích thước tế bào khác nhau và sắp xếp nguyên tử do mối quan hệ điện tích của đa diện. Sự dịch chuyển đơn khối gây ra bởi sự thay thế ion có thể tạo ra nhiều polytype hơn trong cùng một nhóm.  

Cuối cùng, các nhóm phyllosilicat có thể được chia tiếp theo dung tích của đất sét để làm mịn hoặc hấp thụ nước. Mỗi nhóm có một khoảng cách liên lớp duy nhất do điện tích bề mặt đặc trưng của nó (Hình 2C). Trong trường hợp kaolin (điện tích trung tính) và micas (điện tích cao), sưng không xảy ra, trong khi các nhóm smectites và vermiculite (cả hai điện tích thấp) sưng lên. 

2A

2B

2C

Hình 2. Phân loại các nhóm khoáng vật đất sét.  A) mối quan hệ giữa kaolinit, serpentine, pyrophyllit-talc, mica, smectit, và nhóm vermiculite. B) Hình minh họa sơ đồ của cấu trúc ba bát diện và hai mặt với các vị trí và con đường xen kẽ. C) Hình minh họa sơ bộ về cấu trúc lớp của mỗi nhóm phyllosilicat. 

 

Độ dày của các lớp tứ diện-bát diện của nhóm kaolin là khoảng 7 Å.¹¹ Các loại đất sét nhị diện trong nhóm kaolin nằm dưới phân nhóm kaolinit và tam diện dưới phân nhóm serpentin. Tất cả các thay thế trong cấu trúc 1:1 dẫn đến một mạng trung tính; do đó, không có đất sét sưng trong họ kaolin. 

Các thành viên của nhóm kaolin đóng vai trò là nguyên liệu công nghiệp quan trọng và có nhiều ứng dụng khác nhau trong ngành công nghiệp, chủ yếu là chất độn và lớp phủ. Kaolinit, khoáng vật đất sét 1:1 nổi tiếng nhất, có nhiều đặc điểm hấp dẫn để sử dụng làm chất nền, chẳng hạn như chi phí thấp, nguồn phong phú và sức mạnh cơ học cao.¹³ Ngoài phyllosilicat có cấu trúc 2:1, cấu trúc kaolin phân lớp chứa các nhóm hydroxyl phong phú trong lớp giao thoa tinh thể và bề mặt gãy vỡ của nó, mở ra khả năng cho các sửa đổi hóa học đa dạng.  

Zhou et al. (bằng tiếng Anh) Báo cáo một hợp chất kaolinit được trang trí bằng carboxyl (PAA-KLN) giàu bề mặt được chế tạo thông qua việc ghép poly (axit acrylic) thông qua phương pháp ghép bắt đầu bằng UV tích hợp (Hình 3A và 3B).¹⁴ Do tính chất ưa nước thích hợp của bàn chải poly(axit acrylic), đầu tự do của chúng sẽ mở rộng vào dung dịch để tạo thành một lớp váng bề mặt, mang lại nhiều vị trí hấp phụ dễ tiếp cận. Kết quả là PAA-KLN cho thấy khả năng hấp phụ nổi bật cho Fe³⁺  189,63 mg/g và tốc độ hấp phụ nhanh (đạt đến trạng thái cân bằng trong vòng 40 phút) (Hình 3C). Hơn nữa, PAA-KLN hiển thị khả năng tái sử dụng tuyệt vời với tỷ lệ khử hấp thụ cao ngay cả ở nồng độ chất lỏng tước thấp (0,2 M HCl), chứng minh tiềm năng ứng dụng tuyệt vời của nó trong việc tái chế kim loại có giá trị từ nước thải (Hình 3D). 

Cheng et al. (bằng tiếng Anh) Sử dụng nano kaolinit để tạo thành các kênh nano hai chiều tự lắp ráp bằng cách xây dựng từ dưới lên các khối xây dựng Janus nano dựa trên kaolinit (Hình 3E).¹⁵ Thông qua quá trình bay hơi và lọc chân không, các cấu trúc dị cấu trúc hai chiều được lắp ráp lại thành các vật liệu lớp quy mô màng sở hữu các kênh chất lỏng dưới nanomet và rộng nanomet khoảng 6,8 và 13,8 Å (Hình 3F). Độ dẫn ion bão hòa ở nồng độ thấp và mối quan hệ tuyến tính của cường độ của dòng ion streaming đối với tốc độ dòng chảy áp dụng cho thấy các quan sát tương tự được tìm thấy trong trường hợp thiết bị nano kênh đơn (Hình 3G và 3H). Hơn nữa, mật độ công suất đầu ra từ màng nano kaolinit (RKM) được tái tạo tiếp cận 0,18 W m^-2 và chuyển đổi năng lượng cơ khí-điện cao đáng kể so với GOM (Hình 3I).  

3A

3B

3C

3D

3E

3F

3G

3H

3I

Hình 3. Chế tạo và hiệu suất của màng chức năng dựa trên kaolinit. A) Chương trình chuẩn bị chất hấp phụ PAA-KLM. B) Góc tiếp xúc SEM và nước của KLN, m-KLM, PAA-KLN. C) Thời gian và chu kỳ tái tạo để đánh giá hiệu suất PAA-KLN. D) So sánh khả năng hấp phụ giữa KLN, m-KLN và PAA-KLN. Được điều chỉnh theo permisson từ tài liệu tham khảo 14, bản quyền 2018 Elsevier. E) Tự lắp ráp và tái thiết 2D tấm nanô Janus với các mẫu XRD. F) Ảnh của quan sát RKM và SEM trên mặt cắt ngang của RKM. G) Sơ đồ thiết lập thử nghiệm và phản ứng dòng điện-điện áp tuyến tính đại diện ở các nồng độ KCl khác nhau. H) Dòng điện phát trực tuyến được tạo từ RKM ở pH khác nhau.I) Dòng ion phát trực tuyến được tạo ra từ RKM so với GOM ở độ pH khác nhau. Phỏng theo permisson từ tài liệu tham khảo 15, bản quyền 2017 John Wiley and Sons.

 

Khoáng vật đất sét trong một nhóm mica có điện tích cao (0,9-1,0). Trong micas, có sự mất cân bằng điện tích do sự thay thế ion trên cấu trúc cơ bản 2: 1, được bù đắp bởi một ion xen kẽ, gần như duy nhất kali, cố định giữa các lớp và liên kết các lớp với nhau.¹¹ Mặc dù micas có nhiều tính chất hấp dẫn như tiềm năng bề mặt cao, trong suốt ánh sáng khả kiến, tấm chắn tia cực tím, linh hoạt, cách nhiệt điện, sự ổn định về nhiệt độ và độ bền hóa học, sự tẩy tế bào của các tấm nano đơn với tỷ lệ khung hình cao và cấu trúc phân lớp rất khó khăn do liên kết giữa các lớp mạnh mẽ.^16-17 

Năm 2015, Jia et al. Báo cáo về việc chế tạo thành công các bộ phim tự đứng bằng cách tẩy da chết muscovite đơn lớp ổn định thông qua việc mở rộng khoảng cách với OTA^{+ chuỗi dài} (Hình 4A và 4B).¹⁷ ba năm sau, vào năm 2018, Pan et al. Đã báo cáo một màng mica polyme sinh học hiệu suất cao với sự trợ giúp của xen kẽ CTA và siêu âm trong ethanol (Hình 4C).¹⁸ Phim được chế tạo cho thấy cấu trúc tấm mịn (Hình 4D), sức mạnh cơ học tuyệt vời (259 MPa và 16,2 GPa với hàm lượng mica 60 wt.%), và một thiết bị tổng hợp (hình 4E) cho thấy độ dẫn tốt (~ 0,6 S cm^-1) (hình 4F )và hiệu suất trên một phạm vi rộng các góc uốn cong (hình 4G). Nó làm cho màng mica polyme trở thành một ứng cử viên phù hợp để phục vụ như một chất nền mới cho các thiết bị điện tử linh hoạt và trong suốt, chẳng hạn như máy dò quang học. 

A

B

C

Độ sâu

E

F

G

Hình 4. Chế tạo và hiệu suất của màng chức năng dựa trên mica. A) Đại diện sơ đồ của 2D chế phẩm muscovite. B)  Mẫu XRD và hình ảnh SEM của OTA-M750. Được điều chỉnh với sự cho phép từ tham chiếu 17, bản quyền 2015 RSC Publishing. C) Hình minh họa sơ bộ cho thấy quá trình tẩy da chết của mica nền tự nhiên vào các tấm nano eMica thông qua xen kẽ với CTAB. Các tấm nanô PEI-eMica được trộn thêm với dung dịch CS để sản xuất màng mica polyme bằng phương pháp phủ phun. D ) ảnh chụp và hình ảnh SEM mặt cắt ngang (thanh tỷ lệ, 2 µm) của màng mica polyme 60 wt.%. E) Hình minh họa sơ bộ của thiết bị với màng mica polyme 60 wt.% làm chất nền. F ) đường cong I-V của thiết bị được đo trong bóng tối và khi chiếu sáng ánh sáng (450 nm, 180 mW cm^-2, phẳng và cong). G) Thời gian đáp ứng phổ của thiết bị với ánh sáng xung tại V = 1 V. Được điều chỉnh theo sự cho phép từ tham chiếu 18, bản quyền 2018 Springer Nature. 

 

Các thành viên quan trọng và được biết đến rộng rãi nhất của nhóm smectit là montmorillonit, beidellit, nontronit, saponit và hectorit. Chúng được phân biệt bởi các biến thể trong thành phần hóa học liên quan đến sự thay thế trong các vị trí tứ diện và bát diện.¹¹ 

Cấu trúc, thành phần hóa học, loại ion trao đổi được và kích thước tinh thể nhỏ của đất sét smectit chịu trách nhiệm cho một số tính chất độc đáo, bao gồm diện tích bề mặt hoạt động hóa học lớn, khả năng trao đổi cation cao, bề mặt liên lớp có đặc tính hydrat hóa bất thường và đôi khi khả năng thay đổi mạnh mẽ hành vi dòng chảy của chất lỏng.¹⁹ khác với micas, smectites có cấu trúc tích điện thấp 2:1 (điện tích 0,2-0,9). Các ion được giữ lỏng bù cho sự mất cân bằng điện tích ròng trên mạng tứ diện ở vị trí giao lớp, có thể dễ dàng trao đổi trong dung dịch. Tùy thuộc vào độ ẩm, khoảng cách cơ bản có thể thay đổi từ 1 đến 2 nm.¹² 

Sự tẩy da của montmorillonit chất lượng cao tương đối dễ dàng so với micas vì cation được giữ lỏng và đặc tính sưng của chúng. Do đó, màng montmorillonit thường được sản xuất thông qua phân tán đơn giản và lọc chân không. Ngoài ra, khoảng cách giữa các lớp đáng kể có thể phục vụ như các bộ lọc phân tách phân tử hoặc thậm chí vận chuyển ion khi điều chỉnh. 

Huang et al. (bằng tiếng Anh) Báo cáo một màng mới 2D lớp dựa trên các tấm nanô montmorillonit (MMT) được điều chế bằng cách lọc chân không trên các chất nền Nylon (Hình 5A và 5B).²⁰ MMT hai chiều cho thấy khả năng thấm nước tuyệt vời (212,2 L / m^-2 h bar) và tốc độ loại bỏ cao (95,6%) cho DB38 phân tử nhuộm (Hình 5C). Bên cạnh đó, các kênh nano trong màng MMT và các nếp nhăn trên các tấm nanô MMT đủ cứng để chống lại áp suất bên ngoài lên đến 0,35 MPa. Màng MMT dạng phiến cũng sở hữu tính ưa nước nổi bật và đặc tính chống nấm tuyệt vời, với FRR là 88,2% (Hình 5D). 

Liu et al. (bằng tiếng Anh) Tạo các mảng nano hai chiều dựa trên màng MMT linh hoạt với các lớp đơn phân xếp chồng tốt. Họ quan sát hành vi vận chuyển ion trong các kênh nano (Hình 5E và 5F). Dòng điện 21 tăng tuyến tính với độ lệch, và độ dốc của các đường cong I-V này tương ứng với độ dẫn ion bên trong 2D nanochannels. Hơn nữa, độ dẫn ion bắt đầu lệch khỏi mối quan hệ tuyến tính tại 10^-4 M. Hành vi vận chuyển ion chỉ ra rằng ion điện giải di chuyển tự do bên trong các kênh nano hai chiều trên 10^-4 M, nhưng độ dẫn ion điều khiển bề mặt chiếm ưu thế dưới 10^-4 M (Hình 5G). Mật độ điện tích bề mặt của các kênh nano được xác định là sát 0,0077 MC m^-2, và tỷ lệ di động ion (μ₊/ μ_-) thông qua 2D nanochannels được tính là khoảng 8,2 cho dung dịch điện giải KCl. Đi-ốt nano bất đối xứng cho thấy sự chỉnh lưu dòng ion với hệ số chỉnh lưu ~ 2,6 cho chất điện phân KCl (Hình 5H). 

Zhou et al. (bằng tiếng Anh) Thành công trong việc chế tạo một màng MMT sửa đổi CTAB (hình 5I và 5J).²² CTAB gắn ở cả hai bên của các tấm nano MMT tích điện âm hỗ trợ các kênh nano làm trụ cột và đóng một vai trò quan trọng trong việc bắt giữ các phân tử thuốc nhuộm. Màng cho thấy độ ổn định cao trong nước trong điều kiện ngâm nước, shacking và siêu âm ngắn. Không chỉ vậy, mà nó cũng có thể được sử dụng để chuyển đổi năng lượng gradient độ mặn. Mật độ công suất đầu ra 0,18 W m^-2 đạt được dưới độ dốc nồng độ muối gấp 1000 lần với độ dày màng là 11,2 μm (Hình 5K). Những màng này cũng cho thấy độ thấm nước 429 L m^-2 h^-1 atm^-1 với độ dày 2,5 μm, cao hơn các màng khác có cùng độ dày. Chúng cũng cho thấy hiệu quả phân tách cao cho cả thuốc nhuộm dương và âm. Các nhóm hydroxyl ở rìa của các phiến nano MMT là ưa nước, trong khi các kênh nano có tính kỵ nước; các kênh nano kỵ nước và ưa nước xen kẽ có thể thúc đẩy tính thấm. Sự kết hợp của vận chuyển ion nano và phân tách phân tử thông qua 2D kênh thể hiện các tính năng có giá trị để tạo ra các màng đa chức năng thông minh mới có thể thu thập năng lượng trong khi lọc nước thải.

A

B

C

Độ sâu

E

F

G

Cao

TÔI

J

K

Hình 5. Chế tạo và hiệu suất của màng chức năng dựa trên smectit. A)  chuẩn bị màng 2D MMT. B) Hình ảnh SEM của bề mặt màng MMT, mặt cắt ngang và ảnh kỹ thuật số của màng MMT. C) Hiệu suất phân tách của màng MMT dạng ngậm nước bằng cách sử dụng lọc đầu chết. D) Hiệu ứng hydrat hóa màng đối với hiệu suất phân tách của màng MMT. Được điều chỉnh với sự cho phép từ tham khảo 20, bản quyền 2020 Elsevier. E) Sơ đồ cấu trúc của tinh thể MMT và minh họa sơ đồ về việc xây dựng các mảng nano 2D dựa trên màng MMT dạng phiến. F ) Ảnh kỹ thuật số MMT Màng và hình ảnh SEM mặt cắt ngang. G) Sơ đồ sơ đồ của thiết bị 2D nanofluid với các biểu đồ I-V đại diện của thiết bị 2D nanofluid dưới nồng độ khác nhau của dung dịch nước KCl ở nhiệt độ phòng và độ dẫn ion so với nồng độ KCl. H ) Hệ số hiệu chỉnh như một chức năng của độ lệch áp dụng tại điện phân KCl với các nồng độ khác nhau. Phỏng theo với sự cho phép từ tham khảo 21, bản quyền 2018 Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ. I) chế tạo màng MMT được tái tạo (RMM). J ) Hình ảnh TEM, ảnh kỹ thuật số và hình ảnh SEM mặt cắt ngang của một RMM. K ) So sánh phát điện và thẩm thấu/từ chối của RMM. Phỏng theo với sự cho phép từ tham khảo 22, bản quyền 2019 Hiệp hội Hóa học Hoàng gia. 

Vermiculite Group

Vermiculit thường là hình tam diện và được gọi là dựa trên điện tích lớp âm từ 0,5 đến 0,9. Chúng được hình thành chủ yếu bằng cách loại bỏ kali khỏi biotit, phlogopit hoặc muscovit, đó là lý do tại sao hóa học của chúng có liên quan chặt chẽ với mica.¹¹  

Cấu trúc vermiculit chứa các lớp nước liên lớp, chịu các quá trình hydrat hóa và mất nước. Loại cation xen kẽ kiểm soát tính chất hydrat hóa của nó. Điện tích của cation nhỏ hơn hoặc thấp hơn, không gian interlayer càng lớn. Những cation đếm này bị giới hạn trong các lớp vermiculit liền kề có độ dẫn ion nội tại cực cao. Vermiculit có thể dễ dàng bị tẩy tế bào chết trong nước bằng phương pháp trao đổi ion, trong đó xanh hơn và linh hoạt hơn nhiều so với phương pháp tẩy tế bào chết hóa học thường được sử dụng cho các oxit graphene hoặc Mxenes.¹⁰

Shao et al. (bằng tiếng Anh) Sản xuất một màng vermiculit tự đứng bằng cách đặt lại các tấm vermiculite tẩy da chết (Hình 6A-C).²³ phương pháp trao đổi ion đã được áp dụng để chế tạo tương tự như các loại đất sét bị sưng khác. Mật độ điện tích bề mặt trên các bức tường vermiculit và tính di động của proton được xác định là khoảng 1,4 MC m^-2 và 1,2 x 10^-3 cm² V^-1 s^-1, tương đương với của chất dẫn proton thương mại Nafion (Hình 6D và 6E). Các bộ phim được sản xuất có độ ổn định nhiệt đặc biệt và duy trì đặc tính sưng ngay cả sau khi ủ trong không khí ở nhiệt độ cao. 

Gần đây, Tào và cộng sự thành công tạo ra một màng mỏng vermiculit với một kênh nano hai chiều với hiệu suất vượt trội trong chuyển đổi năng lượng thẩm thấu nano.²⁴ Quá trình chế tạo cũng giống nhau, ngoại trừ chúng sử dụng dung dịch HCl để tạo ra các hạt nano trong mặt phẳng trên các tấm nanô vermiculite để giảm độ xoắn và cung cấp các con đường ion dọc bổ sung (Hình 6F và 6G). Màng vermiculit xốp đạt được mật độ công suất tối đa 10,9 2D W m -2 ở độ dốc độ mặn gấp 1000 lần, vượt trội hơn hầu hết các màng mỏng dựa trên phyllosilicat (Hình 6H). Điện tích lớp cao so với smectites và tẩy tế bào nano dễ dàng hơn so với micas đã mang lại cho vermiculit lợi thế khi được sử dụng cho vật liệu xây dựng cho màng nano dựa trên đất sét với hiệu suất cao. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng thẩm thấu tuyệt vời của màng vermiculit xốp là do các con đường vận chuyển ion ngang và dọc có điện trở thấp tạo điều kiện cho thông lượng ion. (Hình 6I).

A

B

C

Độ sâu

E

F

G

Cao

TÔI

Hình 6. Chế tạo và hiệu suất của màng vermiculit nano. A) Mô hình cấu trúc của các lớp vermiculite. B) Một màng vermiculit đứng tự do uốn cong và hình ảnh SEM mặt cắt ngang. C) Hình minh họa sơ đồ và ảnh kỹ thuật số của thiết bị nano vermiculit. D ) Đại diện I-V uốn cong qua 2D kênh. E) Độ dẫn ion là một chức năng của nồng độ chất điện phân. Phỏng theo với sự cho phép từ tham khảo 23, bản quyền 2015 Springer Nature. F) chuẩn bị và đặc điểm của các tấm nanô vermiculit (PV) xốp và màng mỏng (PVM). G) Hình ảnh AFM của các tấm nano PV, hình ảnh SEM của PVM và hình ảnh SEM hỗ trợ PES vi mô. H ) Biểu diễn sơ đồ của thiết lập thí nghiệm, và biểu đồ của tiềm năng thẩm thấu và mật độ năng lượng được tạo ra. I) Hình minh họa sơ đồ làm nổi bật các con đường của sức cản thấp nhất của vận chuyển ion trong PVM, tạo ra thông lượng cao, trong khi các con đường xoắn cao trong NPVM dẫn đến điện trở cao và thông lượng ion thấp. Phỏng theo với sự cho phép từ tham khảo 24, bản quyền 2021 Hiệp hội Hóa học Hoàng gia. 

 

Trong đánh giá này, chúng ta đã thảo luận ngắn gọn về các ứng dụng của vật liệu phyllosilicat 1:1 và 2:1 trong công nghệ màng, cũng như sự hiểu biết hình học cơ bản về cấu trúc lớp của chúng. Khoáng vật đất sét có tính chất độc đáo cho phép chúng được sử dụng phù hợp để xây dựng các khối màng mỏng có hoặc không có sửa đổi hóa học. Hiểu được các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu phyllosilicat có thể giúp chúng ta tiếp tục phát triển những hiểu biết sâu sắc về các ứng dụng có thể của chúng.  

Sự công nhận 

Công trình này được hỗ trợ bởi Chương trình đổi mới công nghệ (20012430) được tài trợ bởi Bộ Thương mại, Công nghiệp & Năng lượng (MOTIE, Hàn Quốc). 

Những đóng góp của tác giả 

H. R. tiến hành nghiên cứu, phân tích dữ liệu, và đóng góp vào việc viết bài báo. W.S. đã hình thành, chỉ đạo và giám sát nghiên cứu và đóng góp vào việc viết bài báo. S. K., T. K., J. B., H. K. và J. Y. hỗ trợ nghiên cứu và phân tích dữ liệu. Tất cả các tác giả đều bình luận về bản thảo. 

Lợi ích cạnh tranh 

Các tác giả tuyên bố không có lợi ích cạnh tranh. 

Tài liệu tham khảo

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