Denis Lebedev

1 Saint Petersburg State University, 13B Universitetskaya Emb., St Petersburg 199034, Rusia; ur.liam@omh14coo (M.N.); [email protected] (V.K.); [email protected] (M.P.)

glassau

Maxim Novomlinsky

1 Saint Petersburg State University, 13B Universitetskaya Emb., St Petersburg 199034, Rusia; ur.liam@omh14coo (M.N.); [email protected] (V.K.); [email protected] (M.P.)

Vladimir Kochemirovsky

1 Saint Petersburg State University, 13B Universitetskaya Emb., St Petersburg 199034, Rusia; ur.liam@omh14coo (M.N.); [email protected] (V.K.); [email protected] (M.P.)

Ilya Ryzhkov

2 Institutul de Modelare Computațională SB RAS, Akademgorodok 50/44, Krasnoyarsk 660036, Rusia; ur.nsark.mci@iir

3 Universitatea Federală Siberiană, Svobodny 79, Krasnoyarsk 660041, Rusia

Irina Anfimova

4 Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry (ISCh) RAS, 2 Adm. Emb. Makarova, Sankt Petersburg 199155, Rusia; ur.liam@i-avomifna (I.A.); ur.xednay@2rtna (T.A.)

Maxim Panov

1 Saint Petersburg State University, 13B Universitetskaya Emb., St Petersburg 199034, Rusia; ur.liam@omh14coo (M.N.); [email protected] (V.K.); [email protected] (M.P.)

Tatyana Antropova

4 Grebenshchikov Institute of Silicate Chemistry (ISCh) RAS, 2 Adm. Emb. Makarova, Sankt Petersburg 199155, Rusia; ur.liam@i-avomifna (I.A.); ur.xednay@2rtna (T.A.)

Abstract

1. Introducere

Datorită dezvoltării tehnologiilor moderne, numărul studiilor de transport al ionilor în membrane a crescut semnificativ în ultimii ani. La rândul său, tehnologiile cu membrane au găsit aplicații în domenii importante ale științei și industriei, cum ar fi tratarea apei [1,2]; separarea amestecurilor și producerea de substanțe pure [3,4]; dispozitive de conversie și stocare a energiei electrochimice [5,6]; senzori chimici și biosenzori [7]; microfluidică și bioinginerie [8,9]; etc. În ciuda potențialului imens al aplicațiilor cu membrană, există o serie de factori care limitează utilizarea acestora, de exemplu, capacitatea de separare (respingere), murdărirea și declinul fluxului. Prin urmare, este necesar să se controleze transportul și proprietățile selective ale unei membrane pentru a o păstra de orice influență cauzată de aceste limitări. Există două modalități principale de a afecta proprietățile selective ale membranei: schimbarea structurii porilor (geometria și proprietățile fizico-chimice ale suprafeței) [10,11], inclusiv utilizarea membranelor compozite [12]) sau expunerea externă (potențial transmembranar, câmpuri electrice externe [13,14,15], pH-ul soluției [16], temperatura, radiația etc.).

Membranele nanocompozite au fost dezvoltate activ în ultimul deceniu [17]. Implicarea nanostructurilor poate îmbunătăți permeabilitatea, selectivitatea și proprietățile anti-fouling ale unei membrane pentru procese de filtrare îmbunătățite. Una dintre cele mai promițătoare abordări pentru producerea unor astfel de materiale compozite este formarea de nanoparticule în interiorul structurii poroase a unei membrane. Ca și în cazul nanotehnologiei în general [18], există două metode principale [17] pentru formarea nanoparticulelor în interiorul porilor membranosi: „de sus în jos” - modificarea volumului prin amestecare (numite membrane cu matrice mixtă) și „de jos în sus” - suprafață modificare. În fabricarea membranelor nanocompozite modificate în vrac, nanoparticulele sunt dispersate într-o soluție omogenă de precursor polimeric înainte de procesul de formare finală [19]. Cu toate acestea, această metodă este dificil de utilizat, de exemplu, în sinteza membranelor solide anorganice. Tehnica de modificare a suprafeței este cea mai convenabilă metodă în acest caz [11]. Tehnica de modificare a suprafeței se referă la depunerea nanoparticulelor pe o membrană.

Paharele poroase cu silicat (silice ridicat) (PG) sunt nanostructuri de tip canal [20] cu stabilitate termică, chimică și microbiologică, în combinație cu caracteristici structurale de suprafață controlate [21,22,23]. O atenție specială merită acordată aplicației PG pentru separarea amestecurilor lichide prin osmoză inversă. Această metodă s-a găsit aplicabilă în desalinizarea apei, curățarea sanitară a apei menajere, regenerarea apei din produsele cu funcții vitale în spațiu, concentrațiile de sare radioactive etc. Utilizarea materialelor PG pare a fi destul de eficientă în aplicații medicale [24,25] (de exemplu, membranele PG pot fi utilizate ca hemofiltre și într-un aparat artificial pentru rinichi). PG-urile pot fi completate cu diverse substanțe, inclusiv nanoparticule de metal sau nanostructuri și/sau expuse la radiații laser pentru a asigura aplicarea lor în optică, microelectronică, microfluidică, senzorică, inginerie solară, ecologie etc. (vezi [26,27,28,29,30,31,32] și recenziile din acestea).

În lucrarea de față, aurul este ales ca metal pe care îl depunem în porii membranei de către LCLD. În primul rând, aurul, ca și silice, este un material biologic și chimic inert, deci există perspectiva aplicării rezultatelor noastre în aplicații medicale. În al doilea rând, nanoparticulele Au au rezonanță plasmonică în partea vizibilă a spectrului optic, ceea ce deschide posibilități de utilizare a materialelor obținute în domeniul senzorilor suprasensibili [40].

Scopul principal al acestei lucrări este de a sintetiza membrane compozite din sticlă poroasă cu nanoparticule Au în interiorul porilor (membrana compusă PG/Au) prin metoda indusă de laser și de a studia proprietățile lor de transport ionic în soluțiile model. Aceste studii vor oferi o mai bună înțelegere a modului în care compoziția membranelor compozite le afectează proprietățile.

2. Materiale și metode

2.1. PG Sinteza materialelor

Probele de sticlă poroasă (PG) (sub formă de plăci lustruite plan-paralele cu dimensiunea de 10 × 10 × 1,0 mm 3) au fost preparate prin gravarea chimică a sticlei de borosilicat de sodiu separată de fază, din următoarea compoziție (analizate, în greutate). %): 6,74 Na2O, 20,52 B2O3, 0,15 Al2O3, 72,59 SiO2, cu structură în două cadre în soluții de 3 M HCI și 0,5 M KOH în mod constant, cu spălare ulterioară în apă distilată și uscare la 120 ° C într-o atmosferă de aer, așa cum este descris în [41,42]. Pentru studiul parametrilor spațiului poros, a fost utilizată metoda clasică de izoterme de adsorbție și desorbție a echilibrului de azot la 77 K. Porozitatea probelor PG și diametrul mediu al porilor au fost

0,5 (cm 3/cm 3) și respectiv 25 nm [43]. Figura 1 a prezintă o imagine tipică microscopică electronică cu scanare (SEM) a unei microstructuri de sticlă poroasă, care este un sistem de canale de tortuozitate, porozitatea materială în acest caz a fost de 52-56%. Ochelarii poroși au fost fabricați la Institutul Grebenshchikov de chimie a silicatelor din Academia Rusă de Științe (misiune de stat, proiect nr. 0097-2019-0015).