Development of ion separation and transport device based on two dimensional nanosheets

基于二维纳米片的离子分离与传输装置的研制

基本信息

批准号：
22H01916
负责人：
馬仁志
金额：
$ 11.15万
依托单位：
National Institute for Materials Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

層状複水酸化物（LDH)ナノシート積層膜の幾何形状を設計し、幾何学的な制約と外部バイアス電圧の印加によりイオンの能動的輸送を可能とするイオンデバイスの作製を行った。2種類の典型的なLDH前駆体、すなわちMgAl LDHとCoAl LDHを剥離させ、高収率で単層ナノシートを得た。完全に単層剥離したLDHナノシートを真空ろ過することにより、優れた柔軟性と安定性を備えた自立膜の調製に成功した。再構築された積層膜は、約1.1 nmの大きな層間間隔を示し、迅速なイオン輸送に適したメンブレン構造となる。矩形の薄膜において、OH-やCl-などの陰イオン種に対して0.1Mの濃度まで10-2～10-1 S cm-1という高いイオンフラックスが得られた。これは、以前に報告された未剥離CoAl LDH膜よりも1桁高い値である。さらに、LDHナノシート表面の正電荷に支配されるイオン輸送特性に加え、幾何学的非対称形状の積層膜を構築することにより、典型的なダイオードのようなイオン電流整流現象を観測した。二等辺台形の薄膜をイオン整流器として利用した場合、外部バイアス電圧を印加することで、陰イオンを低い濃度側から高い濃度側への能動的なイオン輸送に成功し、最大約1000倍の濃度勾配に逆らって効率的イオン輸送が確認された。本研究によって、LDHナノシート積層膜は未剥離の層状化合物と比較して大きな層間間隔を有し、イオンフラックスを大きく向上することが明らかになった。ナノシート積層膜に非対称形状因子を導入することにより、効率的なイオン輸送と分離、浸透圧エネルギーハーベスティングなど分野への応用展開に大きな可能性を示した。

我们设计了层状双氢氧化物（LDH）纳米片堆叠的几何结构，并制造了一种离子装置，该装置可以通过施加几何约束和外部偏置电压来实现离子的主动传输。两种典型的LDH前驱体，即MgAl LDH和CoAl LDH，被剥离并以高产率获得单壁纳米片。通过对完全剥离的LDH纳米片进行真空过滤，我们成功制备了具有优异柔韧性和稳定性的自支撑膜。重建的堆叠膜具有约1.1 nm的大层间距，形成适合快速离子传输的膜结构。在矩形薄膜中，OH- 和 Cl- 等阴离子物质浓度高达 0.1M 时可获得 10-2 至 10-1 S cm-1 的高离子通量。这比之前报道的未剥离的 CoAl LDH 薄膜高一个数量级。此外，除了LDH纳米片表面的正电荷主导的离子传输特性外，通过构建几何不对称形状的堆叠膜，我们观察到了典型的类似二极管的离子电流整流现象。当等腰梯形薄膜用作离子整流器时，通过施加外部偏置电压，可以主动将阴离子从低浓度侧输送到高浓度侧，将浓度梯度提高高达约1000倍。离子传输得到证实。这项研究表明，与未剥离的层状化合物相比，LDH 纳米片堆叠具有更大的层间距，这大大提高了离子通量。将不对称形状因子引入纳米片层压膜在高效离子传输和分离以及渗透能量收集等领域显示出巨大的应用潜力。

项目成果

期刊论文数量（6）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Chemically exfoliated inorganic nanosheets for nanoelectronics

DOI：
10.1063/5.0083109
发表时间：
2022-06
期刊：
Applied Physics Reviews
影响因子：
15
作者：
T. Taniguchi;L. Nurdiwijayanto;R. Ma;T. Sasaki
通讯作者：
T. Taniguchi;L. Nurdiwijayanto;R. Ma;T. Sasaki

A pairwise/sandwich-like assembly consisting of a TaO3 nanomesh and reduced graphene oxide for a pelletized self-supported cathode towards high-areal-capacity Li-S batteries

由 TaO3 纳米网和还原氧化石墨烯组成的成对/三明治状组件，用于高面积容量锂硫电池的粒状自支撑阴极

DOI：
10.1039/d2ta07139h
发表时间：
2022
期刊：
Journal of Materials Chemistry A
影响因子：
11.9
作者：
Wang Chenhui;Sakai Nobuyuki;Ebina Yasuo;Suehara Shigeru;Kikuchi Takayuki;Tang Daiming;Ma Renzhi;Sasaki Takayoshi
通讯作者：
Sasaki Takayoshi

Accelerated Ionic and Charge Transfer through Atomic Interfacial Electric Fields for Superior Sodium Storage