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Nat Commun：北大左魁昌團隊發(fā)現(xiàn)優(yōu)異的阻垢材料

來源：北京大學環(huán)境科學與工程學院 2022-08-10

導讀：北京大學環(huán)境學院與工程學院左魁昌課題組與美國萊斯大學、清華大學、耶魯大學等組成的聯(lián)合研究團隊，報道了六方氮化硼（hBN）優(yōu)異的抗結(jié)垢性能，其不僅優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬（鈦Ti）和高分子有機物（聚偏氟乙烯PVDF），更優(yōu)于具有超強抗污染性能的石墨烯。

材料表面結(jié)垢對表面物質(zhì)流動以及熱、電、光等傳導均具有重要影響，會極大降低工業(yè)過程中各種設(shè)備的性能。例如，結(jié)垢會降低熱交換器和鍋爐的加熱效率、增加管道壓力、造成膜組件堵塞、汽輪機葉片腐蝕、降低電極導電性和活性等等，極大增加設(shè)備的運行成本和安全隱患。因此，從分子和原子尺度理解材料表面上水、離子、以及材料本身的相互作用機制，研究材料表面特性如表面粗糙度、表面電荷、親疏水性等對水分子和離子行為的影響，從而開發(fā)具有優(yōu)異抗結(jié)垢性能的關(guān)鍵材料，對工業(yè)領(lǐng)域具有重要意義。

北京大學環(huán)境學院與工程學院左魁昌課題組與美國萊斯大學、清華大學、耶魯大學等組成的聯(lián)合研究團隊，報道了六方氮化硼（hBN）優(yōu)異的抗結(jié)垢性能，其不僅優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬（鈦Ti）和高分子有機物（聚偏氟乙烯PVDF），更優(yōu)于具有超強抗污染性能的石墨烯。實驗和理論計算表明，hBN這種優(yōu)異的抗結(jié)垢性能主要來自于其原子級光滑的表面形貌、由B-N極性鍵引起的表面能量褶皺、以及和水分子尺寸相當?shù)木Ц癯?shù)。后兩個因數(shù)導致hBN與極性水分子之間發(fā)生強烈相互作用，從而在hBN表面形成致密水膜，阻礙了礦物離子和晶體在hBN表面的附著與生長。

QQ截圖20220810152540.png

原始銅片（pristine）、生長了石墨烯（graphene）的銅片以及生長了hBN的銅片在飽和CaSO4中的結(jié)垢行為。其中原始銅片表面迅速結(jié)垢、石墨烯表面也有少量結(jié)垢，而hBN在220分鐘的運行中幾乎沒有結(jié)垢，顯示出優(yōu)異的抗結(jié)垢性能。

研究成果以“Ultrahigh resistance of hexagonal boron nitride to mineral scale formation”為題于2022年8月4日發(fā)表于Nature Communications（DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32193-4）。北京大學環(huán)境科學與工程學院左魁昌研究員為該文第一作者，北京大學為第一單位。萊斯大學張祥博士為共同一作。萊斯大學李琪琳教授、樓峻教授、Pulickel M. Ajayan教授以及清華大學王煒鵬助理研究員為通訊作者。其他合作者還包括美國耶魯大學Menachem Elimelech院士、萊斯大學Pedro J.J. Alvarez院士、EliezerF.Oliveira博士、郭華博士、黃小川、翟天舒。

此外，作為該成果的前期工作，左魁昌研究員還于2020年在Nature Nanotechnology上發(fā)表了關(guān)于hBN材料的應(yīng)用?；谄鋬?yōu)良的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、導熱性、絕緣性等性能，該工作報道了hBN在高濃鹽水深度脫鹽與濃縮領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)內(nèi)容可見https://doi.org/10.1038/s41565-020-00777-0

參考資料：https://cese.pku.edu.cn/kycg/142181.htm

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