二次元ナノポーラス膜を介した単一ファイルの水流束

はじめに

単一ファイルの水輸送は、合成膜[1、2]または天然膜[3、4]に含まれるサブナノメートルのナノポアで観察されています。サブナノメートルの細孔内のこれらの単一ファイルの水の形成は、脱水の自由エネルギー障壁を発達させることによって、イオンの移動を効果的に妨げます[5]。カーボンナノチューブ（CNT）膜で速い水流束率と高い塩除去率を見つけた後[2、6]、輸送メカニズムを理解し、膜の効率[7,8,9,10]。さらに、酸化グラフェン膜は、酸化グラフェンの層間間隔をサブナノメートルスケールに調整することにより、イオンふるい分けにうまく使用されています[11]。

グラフェンによって開始された2次元（2D）膜の発見[12]は、ろ過および脱塩膜の分野で大きな注目を集めています[13]。その1原子の厚さの細孔幅の結果として、摩擦圧力損失を理論的に最小化することができ、優れた水流束を得ることができます[14]。ナノポーラス単層グラフェンは、酸素プラズマエッチングプロセスを使用して正常に製造されており、細孔サイズの制御が可能です[15、16]。ほぼ100％の塩除去と、最大10 ⁶ の高い水流束を示すことにより、脱塩膜に使用されています。 g / m ² s [16]。高い脱塩性能は、分子動力学（MD）シミュレーションを実行することによっても実証されます[17]。さらに、ナノポーラスグラフェン膜は、ガス分離[18、19]およびイオン分離[15、20]に対して効率的なモレキュラーシーブを示しました。

グラフェンの合成に成功した後[21、22]、グラフェン、グラフェン、グラフェンなどの他の2Dグラフェン誘導体が新しいクラスの2D材料として大きな注目を集めています[23、24]。さらに、2D膜の機能を拡張するために、細孔機能化または化学ドーピングを使用した表面修飾が導入されています。窒素[25]またはニッケル[26]のドーピングは、優れた触媒活性を示しました。クラウンエーテルは、機械感受性イオン転座活性[27]または選択的イオン転座[20、28]のためにグラフェンナノポアに埋め込まれています。ピリジニック窒素、フッ素、またはヒドロキシルを使用したグラフェンナノポアの機能化は、MDシミュレーションからの脱塩効率の向上を示しています[29、30、31]。自然に高い多孔性を備えたグラフィン-3とグラフィン-4は、高い水ろ過率と塩除去率を実証することにより、脱塩膜の潜在的な候補であることが証明されました[32]。

さらに、シリセン[33]、ゲルマネン[34、35]、六方晶窒化ホウ素（hBN）[36、37]、金属有機フレームワーク（MOF）[38]などの高度な2D材料が開発され、近年広く研究されています。 。 2D材料の開発は、MoSSe [39、40]やIn ₂ などの構造的に非対称なJanus2D材料にまで拡張されました。 SSe [41]。 MOF [42]やMoS ₂ などの新しい2Dマテリアル [43]は、MDシミュレーションを使用して効率的な脱塩性能を示しました。実験では、3 nmの薄さのMOF膜が合成され、ナノ濾過についてテストされました[44]。 MoS ₂ 7 nmの薄さも合成され、その脱塩効率がテストされています[45]。それらは両方とも高い水濾過率と染料/塩除去率を示しました。 2D hBNは、MD研究から、より高い水透過率[46]を示すことにより、グラフェン膜よりも優れていることがわかりました。

水ろ過膜としてのさまざまな2D膜の効率を予測するには、水輸送速度に対する表面の化学的性質の影響を理解する必要があります。表面の親水性は、界面での水のダイナミクスにおいて重要な役割を果たします[47]。本研究では、膜と水の相互作用の強さを調整することによって表面の親水性を調整し、MDシミュレーションを使用して水の流量に対するその影響を調査しました。単層2D膜を表すために、六角形のグラフェン構造が2Dモデル構造として選択されました。 2D膜を通る単一ファイルの水の流れを、水の移動の長さが複数の原子サイズに対応する3次元（3D）膜を通る水の流れと比較しました。 3D膜を表現するために、グラフェンスラブを備えたCNT構造が3Dモデル構造として使用されました。

メソッド

2D膜と3D膜構造は、図1に示すように、グラフェンとカーボンナノチューブの幾何学的構造から得られました。2D膜のナノ細孔は、細孔中心（R2と指定）から円形領域内の原子を除去することによって生成されました。結果として得られる細孔領域は六角形であり、最も遠い原子間の距離は約7.52Åです。 3D膜構造は、2.06 nm離れた2つのグラフェンスラブの間に（6,6）CNT構造を挿入することによって得られました。 3D膜と2D膜の細孔面積にはわずかな違いがありました。 CNTリムとグラフェンスラブで構成される追加の2D膜構造を生成して、細孔サイズの違いの影響を排除しました。構成はR1として指定されます。 R1構成の細孔半径は、（6,6）CNTの半径に対応します。これは8.13Åです。

a 2Dおよび3D膜構造のシミュレーションセル。 R1は、3D膜の細孔入口構成を示しています。 2D膜構造には、R1とR2の両方の入口構成が使用されました。ブラックボックスの線は、シミュレーションセルの周期境界を表しています。 b 圧力駆動の​​水流シミュレーション中の水分子への力の適用。 c 2D膜を透過する水分子の代表的な軌道経路

膜の平面サイズは4.12×4.08nmでした。初期のシミュレーションボックスのサイズは、2D膜シミュレーションでは4.12×4.08×12 nm、3D膜シミュレーションでは4.12×4.08×14.06nmでした。 x に周期境界条件が適用されました 、 y 、および z 図1に示すシミュレーションボックスに沿った方向。膜は z に垂直になるように配置されました。 -シミュレーションボックスの中心の方向（ z =6 nm）。 SPC / E水モデル[48]は、拡散係数[48、49]や粘度[50、51]などの実験的な輸送特性とよく一致しているため、シミュレーションボックスの入力に使用されました。水分子の総数は6474でした。水分子と膜の間の非結合相互作用は、レナードジョーンズ（LJ）相互作用によって計算されました。

ここで、\（\ varepsilon \）はポテンシャル井戸の深さ、\（\ sigma \）はポテンシャルがゼロになる原子間の距離、 r は原子間の距離です。これらのシミュレーションでは、\（\ sigma \）は0.33 nmに固定されています。これは、炭素と水の距離パラメータの算術平均です。水と膜の相互作用の強さ\（\ varepsilon、\）は、親水性を調整するために0.026から0.415 kcal / molに変更されました。本研究で使用した相互作用の強さは、0.25 \（{\ varepsilon} _ {0} \）、0.5 \（{\ varepsilon} _ {0} \）、\（{\ varepsilon} _ {0} \）に対応します。 、2 \（{\ varepsilon} _ {0} \）、および4 \（{\ varepsilon} _ {0} \）、ここで\（{\ varepsilon} _ {0} \）は炭素間のLJ相互作用強度です[52]と酸素[48]。

すべてのシミュレーションは、GROMACSソフトウェアを使用して実行されました[53]。時間積分は、1fsのタイムステップでLeapfrogアルゴリズムを使用して実行されました。 Nosè–Hooverサーモスタット[54]を適用して、温度を300 Kに維持し、時定数を0.1psにしました。カットオフスキームは、12Åのカットオフ距離でのLJ相互作用の計算に使用されました。長距離静電相互作用は、12Åの実空間カットオフと1.2Åの逆格子空間グリッドを使用した粒子メッシュEwald（PME）法を使用して計算されました。初期平衡シミュレーション中に、Parrinello–Rahmanバロスタットを適用することにより、膜に垂​​直な水圧を1バールに調整しました[55]。 1 nsのNPT平衡化の後、システムは1nsのNVTアンサンブルを使用してさらに平衡化されました。合計2nsの平衡化の後、加圧ビンにある水分子に力を加えることにより、圧力駆動の​​流れをシミュレートしました[14、56]。図1bに示すように、長さ1nmの加圧ビンはシミュレーションボックスの側面にあります。水分子に作用する外力は、\（f =\ Delta P / NA \）によって計算されました。ここで、\（\ Delta P \）は膜全体の望ましい圧力差、Nは加圧ビン内の水分子の数です。 、およびAは膜面積です。以前の文献から、この方法はシミュレーションの過程で所望の圧力降下を非常によく維持できることが知られています[14]。圧力駆動流は10nsでシミュレートされ、データは1nsの初期化後9nsで収集されました。シミュレーションの過程で、膜は剛性のある材料として扱われました。

シミュレーションを実行した後、水の構造と輸送特性を分析しました。細孔軸方向の拡散係数は、アインシュタインの関係式によって計算されました。これは、

平均力ポテンシャル（PMF）は、関係[57]、

ここで、\（{z} _ {0} \）は大量の水の場所です。 \（{z} _ {0} \）=本研究では3nm。 z のΔPMFおよび拡散係数プロファイルの計算 -方向、半径3.8Åの円筒形のビンがナノポア軸に沿って使用されました。

結果と考察

ウォーターフラックス

図2a、bに示すように、膜全体に圧力降下を加えている間、膜を通って移動する水分子の数がカウントされました。図2a、bは、それぞれ2D（R1）膜と3D（R1）膜を通過する水の移動数を表しています。時間に対する水の転流の傾きから、平均水流束を測定した。図2cでは、測定された水流束が2Dおよび3D膜の相互作用強度とともにプロットされています。相互作用の強さが増加すると、水流束は最大水流束まで急激に増加し、その後、すべての膜で単調に減少します。 2D膜では、R1の水流束はR2の水流束よりわずかに高かった。違いは、R1の水にアクセスできる領域がやや大きいためです。

a 2D膜内で時間とともに移動した水分子の数、 b 3D膜内で時間とともに移動した水分子の数、 c 水と膜の相互作用の強さによる計算された水流束（nsあたりの移動した水分子の数）の変動

低い相互作用強度での最小水流束から最大水流束への遷移は、細孔の濡れから濡れへの遷移によるものです。図3e、fに示すように、直径がサブナノメートルのナノポアでは、水分子は単一ファイルの鎖として配置されます[1,58]。単一ファイルを形成する水分子の水素結合の数は、約1.5に減少します[59]。シングルファイルの形成では、失われた水素結合エネルギーは、膜と水の相互作用エネルギーによって部分的に補償されます[1]。疎水性の細孔を表す低い膜-水相互作用強度では、膜-水相互作用は、単一ファイル鎖を形成するのに十分な補償を提供しません。このようなデウェッティング挙動は、密度プロファイルをプロットし、占有数を測定することにより、圧力駆動シミュレーションと平衡シミュレーションの両方で確認されます（「水の密度」セクションと「ナノポアの水の占有」セクションの詳細を参照してください）。

a – d 水密度プロファイルと e – f MD中の単一ファイルの水の形成を視覚化しました。 a のナノポアの軸方向に沿った水の密度 2Dメンブレンと b 3Dメンブレン。密度は、水にアクセス可能な細孔半径を持つ円筒形のビンで測定されました。 c の細孔領域内の詳細な密度プロファイル 2Dメンブレンと d 3Dメンブレン。 e 内の単一ファイル構成 2Dナノポアと f 3Dナノポア

2Dと3Dの膜は、しきい値の相互作用の強さの違いを示しました。 3D膜の閾値相互作用強度は、2D膜のそれよりも高かった。サブナノメートルの細孔内では、部分的な鎖または個々の水分子はエネルギー的に不利です。したがって、細孔内での完全な鎖形成は、サブナノメートルの細孔を濡らすための前提条件です。比較的短い鎖長と近接したバルクウォーターバスにより、比較的低い相互作用強度で2D膜を濡らすことができます。しきい値相互作用強度のこのような違いにより、2D膜の水流束は、低い相互作用強度（0.25 \（{\ varepsilon} _ {0} \）および0.5 \（{\ varepsilon}）で3D膜の水流束よりも高くなりました。 _ {0} \））。

ナノポアを濡らす閾値相互作用強度では、最大水流束に達します。その後、相互作用の強さが増すにつれて、水流束は減少します。疎水性の表面は境界の滑りを促進し、その後水流束を高めることが報告されています[60,61,62]。連続体の流体力学は、すべり境界条件が適用されたときに強化された水フラックスも支配します。単一ファイル流束と2D膜での同じメカニズムの有効性は、細孔の軸方向と半径方向のサブナノメートルの寸法のために不明です。親水性の増加に伴って減少する水流束を説明するために、水のダイナミクスとエネルギーが調査されました（「水の拡散係数」および「平均力ポテンシャル」のセクションを参照）。水流束の減少は、2Dメンブレンと比較して3Dメンブレンの方が顕著であることに注意してください。中程度の相互作用強度（\（{\ varepsilon} _ {0}、2 {\ varepsilon} _ {0} \））では、3Dメンブレンは2Dメンブレンよりも優れていますが、高い相互作用強度（4 \（ {\ varepsilon} _ {0}）\）。

水の密度

細孔の軸方向に沿った水密度プロファイルが図3a〜dにプロットされています。水の密度は、開いた細孔領域の密度プロファイルにアクセスするために、細孔半径のある円筒形のビンを使用して測定されます。図3aとbは、それぞれ2Dと3Dの膜を使用した水密度プロファイルを表しており、細孔領域は破線で示されています。細孔領域の幅は、膜原子のファンデルワールス直径として定義されます。膜原子の中心は z にあります =6 nm、細孔領域は z として定義されます =2Dメンブレンの場合は5.83〜6.17 nm、 z =5.83–8.23 nm（3Dメンブレンの場合）。図3c、dには、細孔領域内の水分密度が表示されています。

細孔入口の近位領域では、層状の水構造を表す有意な密度の山と谷がはっきりと観察されます。固体壁の近くの層状水構造は、以前のMD [63]および実験的研究[64]によって報告されています。細孔半径はファンデルワールス相互作用が作用する距離（〜1.2 nm）よりも小さいため、細孔が開いているにもかかわらず、層状の水構造は消失しませんでした。密度振動から、相互作用強度の増加とともに密度ピークの大きさが増加することが観察されます。

細孔領域内の密度のピークは、単一のファイルを形成する水分子の好ましいサイトを示しています。 2Dナノポアでは、2つの密度ピークは、2つの水分子が安定した単一のファイルを形成していることを示しています。 3Dナノポアでは、8〜9個の密度ピークが観察され、より長い水鎖が構築されたことを示しています（図3e、f）。細孔領域内の水密度がゼロであることは、水分子が膜を透過していないことを示しています。 2Dナノポアでは、水の密度はゼロに近く、相互作用の強さは0.25 \（{\ varepsilon} _ {0} \）;したがって、水流束は、相互作用強度が0.25 \（{\ varepsilon} _ {0} \）の2Dナノポアでは公称値でした。 3Dナノポアでは、相互作用強度が0.25 \（{\ varepsilon} _ {0} \）および0.5 \（{\ varepsilon} _ {0} \）の場合、水の密度はゼロです。つまり、3Dの場合は水流束がゼロとして測定されました。それらの相互作用の強さを持つナノポア。

ナノポアの水分占有

平衡水のダイナミクスは、外部圧力差なしで平衡シミュレーションを実行することによっても調査されました。ナノポアの水占有数は、各時間枠の間のポア領域内の水分子の瞬間的な量を数えることによって測定された。図4a–lは、2Dおよび3Dメンブレンのさまざまな相互作用強度の占有数と時間の関係を示しています。図4に示されているように、水の占有は、ナノポアの水が空で満たされる2つの状態の遷移を示しています。部分的に満たされた（単一ファイルが壊れた）状態はエネルギー的に不利であるため、これは単一ファイルの水の特徴であることが知られています[1]。 0.25 \（{\ epsilon} _ {0} \）の低い相互作用強度では、空の状態（0–1の水占有率）が2Dおよび3D膜の両方でより多く存在します。この強度では、平均占有数は2Dメンブレンで0.37、3Dメンブレンで0.05でした。相互作用の強さが0.5 \（{\ epsilon} _ {0} \）の場合、2Dメンブレンの場合は充填状態（1〜2の水占有率）が多くなり、3Dメンブレンの場合は空の状態が残ります。この強度では、平均水占有数は2D膜で1.1、3D膜で0.3でした。相互作用の強さが\（{\ epsilon} _ {0} \）の場合、3Dメンブレンの占有数には8〜10が入力されます。これは、3Dメンブレンが\（{\ epsilon} _ {0} \）の相互作用強度で満たされた状態にあることを示しています。

a のナノポア内の水の占有数 – h 2Dおよび i – l 3Dメンブレン。膜と水の相互作用の強さは、 a で0.25 \（{\ epsilon} _ {0} \）です。 、 e 、および i 、0.5 \（{\ epsilon} _ {0} \）for b 、 f 、および j 、\（{\ epsilon} _ {0} \）for c 、 g 、および k 、および4 \（{\ epsilon} _ {0} \）for d 、 h 、および l 。平均的な職業数は、相互作用の強さ（ m ）によって異なります。 ）

相互作用の強さによる平均水占有数の変化を図4mに示します。空を埋める2状態の遷移挙動も、相互作用の強さで観察されました。占有数が公称数から高い数にジャンプし、相互作用強度の増加とともにわずかに増加するにつれて、3D膜で鋭い遷移が明確に観察されます。同様の遷移挙動が2D膜で観察されます。ただし、2Dメンブレンは、単一ファイルチェーンの長さが短く、バルクウォーターバスが近くに配置されているため、適度な遷移を示します。これにより、比較的好ましい遷移状態が決まります。

空充填（デウェッティング-ウェッティング）状態の遷移挙動は、低い相互作用強度での水フラックスの変動をサポートします。相互作用強度のしきい値を下回ると、加えられた圧力降下による水流束はゼロまたは公称値でした。相互作用の強さが0.5 \（{\ epsilon} _ {0} \）の場合、2D膜の水流束は3D膜と比較してはるかに高かった。この相互作用の強さでは、2Dメンブレンは湿潤状態にあり、3Dメンブレンはデウェッティング状態にあります。したがって、水のデウェッティングは、低い相互作用強度での水フラックスの変動の原因であると結論付けることができます。残念ながら、水の占有率は、相互作用の強さが高くなると水流束が減少することを説明できません。

水の拡散係数

水のダイナミクスをさらに調査するために、平衡シミュレーションから水拡散係数を計算しました。密度プロファイルでは、近位の細孔領域で大きな振動が観察されました。これは、層状の水構造を示しています。密度振動の振幅は、相互作用強度の増加とともに増加しました。このような構造的影響を考慮に入れるために、細孔近傍および入口領域の水拡散係数を計算し、図5a〜eにプロットしました。図5aは、近接領域と入口領域の両方を含むさまざまな領域での水分子の拡散係数を示しています。相互作用の強さが増すにつれて拡散係数が減少することは明らかです。したがって、相互作用強度のしきい値を超える相互作用強度の増加に伴い、水拡散係数の減少が水流束の減少に寄与したと結論付けることができます。

細孔近接および細孔入口領域の水拡散係数。細孔近接領域は、細孔半径と長さが1nmの円柱状領域として定義されます。細孔入口領域は、細孔半径とファンデルワールス直径を持つ円筒形領域として定義されます。 a 相互作用の強さによる拡散係数の変化。拡散係数は、細孔入口と近接領域の両方を含む領域で測定されます。 b 、 c b の相互作用強度に対する細孔軸方向に沿った拡散係数プロファイル \（{\ epsilon} _ {0} \）および c 4 \（{\ epsilon} _ {0} \）。 d 、 e d の相互作用強度による拡散係数の変化 細孔近接領域と e 毛穴入口領域

中程度の相互作用強度（\（{\ epsilon} _ {0} \））と高い相互作用強度（4 \（{\ epsilon} _ {0} \））について、細孔軸方向の拡散係数のプロファイルが示されています。それぞれ図5b、cにあります。図5b–eでは、2Dおよび3Dナノポアの同じポア構成（R1）を比較して、ポア構成の違いによる影響を排除しています。拡散係数は、バルク拡散係数から徐々に減少することが観察されました（〜2.7×10 ^–9 m ² / s [49]）彼らが毛穴の入り口に近づいたとき。拡散係数の低下は、細孔閉じ込め効果と水層効果の組み合わせの結果である可能性があります。膜の親水性は、2つの異なるメカニズムによって拡散係数を低下させる可能性があります。つまり、細孔の近くに高度な層状構造を誘導し、細孔入口領域の摩擦力を増加させます。細孔近接領域と入口領域での個別の拡散係数計算（図5d、eを参照）では、拡散係数は両方の領域での相互作用強度の増加とともに減少しました。

3D膜の拡散係数は、細孔入口領域の2D膜の拡散係数よりもわずかに高いか同等でした。対照的に、3D膜の拡散係数は、細孔近傍の2D膜の拡散係数よりも小さく、高い相互作用強度（4 \（{\ epsilon} _ {0} \））でその差は顕著です。圧力駆動流シミュレーションでは、3D膜を通過する水流束は、2D膜と比較して、相互作用の強さとともに大幅に減少した速度を示しました。これにより、中程度の相互作用強度（\（{\ epsilon} _ {0}、\）2 \（{\ epsilon} _ {0} \））で3D膜の水流束が同等以上になり、高い相互作用強度（4 \（{\ epsilon} _ {0} \））の2D膜。細孔近傍の拡散係数が、高い相互作用強度でのこのような逆流束の主な原因であるように思われます。

平均力の可能性

相互作用の強さに依存する膜の優位性をさらに調査するために、2Dおよび3DのPMFプロファイルを、中程度の相互作用の強さ（\（{\ epsilon} _ {0}）\）と高い相互作用の強さ（4 \ （{\ epsilon} _ {0} \））。 2Dと3DのナノポアのPMFプロファイルを図6で比較します。PMFプロファイルは局所的な最大値を示し、水分子が膜を通過するために克服する必要のある自由エネルギー障壁を表しています。 PMFプロファイルから、2つの主要なPMFエネルギー障壁が細孔入口領域（ z ）で特定されました。 =6 nm）および細孔近接領域（ z \（\ approx \）5.5 nm）。相互作用の強さが\（{\ epsilon} _ {0} \）の場合、近接エネルギー障壁は2Dと3Dの間に有意差を示しませんでした。 4 \（{\ epsilon} _ {0} \）の高い相互作用強度では、近接するエネルギー障壁は両方とも増加しましたが、2D膜と比較して3D膜の方が大きさが高くなりました。これは、細孔の近接性が、高い相互作用強度での逆水流束の主な要因であることを確認しています。

a の細孔軸方向に沿ったPMFプロファイル 中程度の相互作用の強さ（\（{\ epsilon} _ {0}）\）および b 高い相互作用強度（\（4 {\ epsilon} _ {0}）\）

相互作用の強さが増すと（\（{\ epsilon} _ {0} \）→\（4 {\ epsilon} _ {0} \））、2D膜の細孔入口エネルギー障壁は1.94から1.82に、1.68に変化しました。 3Dメンブレンの場合は1.45まで。膜と水の相互作用エネルギーが増加すると、入口エネルギー障壁がわずかに減少します。一方、相互作用の強さが増すと（\（{\ epsilon} _ {0} \）→\（4 {\ epsilon} _ {0} \））、2Dの近接エネルギー障壁は0.4から1.05に変化します。メンブレン、3Dメンブレンの場合は0.47〜1.61。エネルギーの観点から、相互作用強度の増加に伴う水流束の減少は、主に近位細孔領域で増加するエネルギー障壁によるものです。また、2Dメンブレンと比較して、3Dメンブレンの水流束の大幅な削減にも関係しています。 2D膜の総エネルギー障壁（2.34 k _B T）は3Dよりもわずかに高い（2.15 k _B T）膜と水の相互作用が中程度の場合の膜（\（{\ epsilon} _ {0} \））。 3D膜の近接エネルギー障壁が大幅に増加したため、それらの総エネルギー障壁（3.06 k _B T）は2Dメンブレンよりも高い（2.87 k _B T）相互作用の強さが高い場合（4 \（{\ epsilon} _ {0}）\）。したがって、ΔPMFは、高い相互作用強度（4 \（{\ epsilon} _ {0}）\）の2D膜と、中程度の相互作用強度（\（{\ epsilon} _ {0}）の3D膜の優位性を定量的にサポートします。 \）。

より大きな細孔サイズを通る非単一ファイルの水流の場合、相互作用の強さに関係なく、2D膜が3D膜よりも支配的であると推定されます。以前の文献[65]から、より大きな細孔サイズのCNT膜で、相互作用強度を伴う濡れ-脱濡れ挙動が観察されました。閾値相互作用強度は、細孔サイズの増加とともに減少しました[65]。近くに配置された貯水池と短い細孔長により、2D膜は、3D膜と比較して低いしきい値相互作用強度を示します。これは、単一ファイルフローの結果と一致しています。したがって、2Dメンブレンは、相互作用の強度が低い場合、3Dメンブレンを介した場合と比較して、より大きなポアサイズを介してより高い水流束を示す可能性があります。相互作用の強さがしきい値を超えている場合、2D膜を通過する水流束は、単一ファイルの水流とは対照的に、3D膜の水流束よりも高い場合があります。細孔近傍のPMFエネルギー障壁は水流にそれほど影響を与えず、膜壁と水分子の間の摩擦が水流束に影響を与える支配的な要因になります。以前の文献では、CNT膜を通過する水流束は、非単一ファイルフローのCNT長さが減少するにつれて増加することが報告されています[66、67]。さらに、非単一ファイルフローの場合、CNT膜を通過する水流束と比較して、グラフェン膜を通過するより高い水流束が観察されました[14]。

結論

本研究では、単一ファイルの水流束に対する膜と水の相互作用の強さの影響を調査しました。二次元膜の最近の進歩により、六角形の2D膜構造が検討され、3Dチューブタイプの構造と比較されました。主な観察結果は次のとおりです。（1）水流束はゼロまたは公称相互作用強度のしきい値を下回っています。（2）しきい値相互作用強度は3D膜と比較して2D膜の方が低く、（3）水流束は相互作用強度の増加とともに減少します。相互作用の強さが相互作用のしきい値の強さよりも大きい場合、および（4）水流束の減少は2D膜と比較して3D膜の方が顕著でした。

低い相互作用強度でのゼロまたは公称フラックスは、デウェッティング挙動によるものであり、これは、細孔内の小さな占有数と水の密度によってサポートされていました。細孔を濡らす閾値相互作用強度を超えると、相互作用強度の増加に伴って水流束が減少します。相互作用強度の増加により、PMFエネルギー障壁が増加し、細孔近傍での拡散係数が減少し、その結果、水流束が減少しました。さらに、水の構造と細孔近傍のダイナミクスは、2D膜と比較して3D膜の相互作用強度の影響を強く受けました。その結果、2Dメンブレンと比較して、3Dメンブレンの水流束が大幅に減少しました。

相互作用の強さと膜の寸法に対する複雑な単一ファイルフラックスの依存性のため、3D膜に対する2D膜の優位性は相互作用の強さに依存しているように見えます。中程度の相互作用強度（l \（{\ epsilon} _ {0} \）、\（{2 \ epsilon} _ {0}）\）の場合、3D膜は2D膜と比較してわずかに高い水流束を示します。低い（0.5 \（{\ epsilon} _ {0} \））および高い相互作用強度（4 \（{\ epsilon} _ {0} \））の場合、2Dメンブレンは3Dメンブレンよりも高い水流束を示します。結論として、3D膜に対する2D膜の優位性は、細孔近傍での濡れ-脱濡れ遷移および拡散ダイナミクスによる膜の親水性に依存します。今回の調査結果は、高いろ過流束を維持するための2D膜の設計と操作に役立ちます。

データと資料の可用性

この記事の結論を裏付けるデータセットは記事に含まれており、データに関する詳細情報は、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

略語

2D：

二次元

3D：

三次元

CNT：

カーボンナノチューブ

MD：

分子動力学

hBN：

六方晶窒化ホウ素

MOF：

金属有機フレームワーク

LJ：

レナードジョーンズ

PMF：

平均力ポテンシャル