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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01916/
• 关键词: ナノシート; メンブレン; イオン分離; イオンデバイス; エネルギー変換

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。

Layered complex hydrate (LDH) coating geometry design, geometric constraints, external voltage and dynamic transport, possible operation of LDH coating. Two types of typical LDH precursors, MgAl LDH and CoAl LDH, were isolated and obtained at high rates. Complete delamination of LDH and vacuum filtration, excellent flexibility and stability, and successful modulation of self-supporting films Then, the multilayer film was constructed with a large interlayer spacing of about 1.1 nm, and the structure was rapidly transported. Rectangular thin films are prepared with a concentration of 10-2~10-1 S cm-1 and a concentration of 0.1 M for OH-and Cl-. This is the first time that a CoAl LDH film has been peeled off. In addition, the positive charge on the LDH surface dominates the current transport characteristics, and the geometric asymmetry of the layered film is measured. The two-phase mesa thin film rectifier is used in the case of external voltage increase, negative voltage increase, low concentration increase, high concentration increase, and active voltage transfer is successful, and the most recent concentration increase is 1000 times. In this study, LDH multilayer films were compared with unpeeled layered compounds, and the interlayer spacing was increased. The introduction of asymmetric shape factors into multilayer films shows the high possibility of efficient transport, separation and penetration.

项目成果

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

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

Transition-metal hydroxide nanosheets with peculiar double-layer structures as efficient electrocatalysts

• DOI: 10.1016/j.checat.2022.02.015
• 发表时间: 2022-04-21
• 期刊: CHEM CATALYSIS
• 作者: Chen, Fashen;Zhou, Wei;Ma, Renzhi
• 通讯作者: Ma, Renzhi

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

• DOI: 10.1021/acsnano.2c00089
• 发表时间: 2022-03-22
• 期刊: ACS NANO
• 影响因子: 17.1
• 作者: Lu, Xueyi;Shi, Yuansheng;Yan, Chenglin
• 通讯作者: Yan, Chenglin

Constructing Fast Transmembrane Pathways in a Layered Double Hydroxide Nanosheets/Nanoparticles Composite Film for an Inorganic Anion-Exchange Membrane

在无机阴离子交换膜的层状双氢氧化物纳米片/纳米颗粒复合膜中构建快速跨膜途径

• DOI: 10.1021/acsami.2c15764
• 发表时间: 2022
• 期刊: ACS Applied Materials & Interfaces
• 影响因子: 9.5
• 作者: Xian Fang;Jia Lulu;Sugahara Yoshiyuki;Xue Hairong;Yamauchi Yusuke;Sasaki Takayoshi;Ma Renzhi
• 通讯作者: Ma Renzhi