木质纳米流体通道膜的制备与表征文献综述

前言

在生物电体系中，细胞膜中层级排列的离子通道和离子泵构成集成化的纳米尺度的离子导体，它们成为生命体系能量转换的关键结构基础。从生物离子通道上获得相关启示，通过构筑一维、二维纳米孔道来模拟生物离子通道的结构和功能，实现了可控的离子传输和能量转换。这种可调节的纳米流体薄膜可以用于海水淡化^1,2、能量储存转化³、超细过滤⁴等领域。

木材是一种常见易得的天然材料，含有大量存在着分级结构的纤维素，其内部潜在着大量纳米通道。本次实验希望使用木材中彼此间存在天然纳米通道的纤维素作原材料来制备纳米流体通道膜，这种材料避免了传统的昂贵制造过程，制造过程简单，且纤维素本身带有大量羟基，纳米通道内易进行化学修饰，有很好的应用前景。

相关文献研究现状

纳米流体通道膜研究

目前的典型纳米流体器件是通过自底向上的低维结构组装或自顶向下的纳米光刻技术来制备的。例如，在硅材料上可通过光刻或模板制造出拥有一维纳米通道的纳米流体通道膜，但这种膜柔韧性差、易碎，在弯曲、折叠时性能会下降^5,6；成本效益好的纳米孔聚合物膜虽然也取得了一定的成功，但这些材料不可再生、不易降解，不能满足可持续发展的需求，而且这种三维弯曲的纳米多孔材料会抑制离子导电率^7,8；一些二维材料，例如氮化硼、石墨烯、二硫化钼，可以表现出良好的离子导电率且拥有用于纳流体装置的优越性能，但这种材料制造昂贵、费时费力^9,10,11。因此，需要继续寻找一种可以大规模获得高性能纳米流体通道膜的可持续发展材料。

木质纳米流体通道膜研究

木材作为一种常见易得的天然材料内部含有大量纤维素，纤维素是自然界中储存量大且可持续发展的一种材料，可以做为环境友好的膜材料和流体器件材料¹²的优秀候选者。存在着分级结构的纤维素，其内部便潜在着大量纳米通道。将木材中的木质素、半纤维素脱除得到纤维素片，再将纤维素片中存在着的大孔径的细胞腔（约50mu;m）消除后，纤维素片中大部分均为纤维素间存在的天然纳米级通道。当纳米纤维素间的通道距离小于Debye length时，通道内很容易被德拜双电荷层完全覆盖，使同电性电子完全从通道内排出，反电性离子成为唯一的载流子，形成单极离子运输通道，可促使离子传输提高25倍。

使用木质材料为原料制作纳米流体通道膜有着许多优势。首先，木质材料是一种容易降解的环境友好型材料，如果大规模应用不会造成环境问题；其次，离子膜的离子选择性和独特的传输现象很大程度上取决于表面电荷密度和离子传输通道的几何形状。在木质纳米流体通道膜内这两个条件都方便调节：由于纤维素上有大量的官能团，表面电荷密度和种类都可以通过化学处理来改变。而通过改变压缩时间和压力，可以调节通道的几何形状；木质纳米流体膜制作简单，性价比高，为大规模应用奠定可能性；最后，最后成品膜机械性能好、柔性好，即使是在弯折150°的情况下，仍能保持良好的性能¹³。

目前存在的木质纳米流体通道膜有带阴电荷和阳电荷两种。应用方面，除了加快导电率外，还可以通过外加温差的方式实现离子导通。

木材在水溶液中本身带有负电荷，这是由于纤维素上的羟基的解离。羟基可进行化学修饰，将其转变为酮基、醛基、羧基等。研究发现将羟基氧化为羧基后（使用TEMPO氧化），随着电荷密度的提高（由-3.2mCm^-2变为-5.7mCm^-2）离子的电导率显著提高。同时，和预计结果相符，致密的纤维素膜导电率也要远远高于非致密纤维素膜¹³。

现今大多数研究集中在阴离子纳流体薄膜的各项性能，在设计高导电性、高机械强度的阳离子膜方面的进展有限。根据胡良兵等人的研究，在木材中可以通过化学修饰使纤维素带阳离子-（CH3）3N ，从而制得阳离子木质纳流体薄膜。文献同样是使用了化学预处理去除半纤维素和木质素，之后进行了阳离子修饰处理（使用CHPTAC）和密实化处理。根据文献中所述，电导率的比较如下表所示：