Mass Transport Through Freestanding Carbon Nanomembranes

Die Massentransport-Technologie hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, insbesondere im Bereich der Membrantrennung. Diese Dissertation untersucht die Carbon-Nanomembranen (CNMs), die eine spezielle Klasse von 2D-Materialien darstellen. CNMs bieten eine vielversprechende Lösung für die Herausforderungen der herkömmlichen Filtrationssysteme, die oft durch einen Kompromiss zwischen Permeabilität und Selektivität eingeschränkt sind. Die Arbeit zeigt, dass CNMs durch ihre einzigartigen Eigenschaften, wie die Fähigkeit, Wasser mit einer bemerkenswert hohen Permeabilität zu transportieren, eine neue Ära in der Membrantechnologie einleiten können. Die Ergebnisse dieser Forschung sind von großer praktischer Relevanz, da sie die Entwicklung effizienter und präziser Trennsysteme unterstützen können.

Die Herstellung von CNMs erfolgt durch die Verknüpfung von selbstorganisierenden Monolagen. Diese Methode ermöglicht die Schaffung von sub-nanometer großen Kanälen, die für den Molekültransport entscheidend sind. Die Dissertation beschreibt die verschiedenen Schritte der Herstellung und Charakterisierung von CNMs, einschließlich der Verwendung von Techniken wie der Rastertunnelmikroskopie (STM) und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Diese Methoden sind entscheidend, um die Struktur und die Eigenschaften der Membranen zu verstehen. Die Analyse zeigt, dass die CNMs eine hohe areale Dichte von Kanälen aufweisen, was ihre Effizienz bei der Molekültrennung erhöht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind für die Entwicklung neuer Membranmaterialien von großer Bedeutung.

Ein zentrales Thema der Dissertation ist die schnelle und selektive Wasserpermeation durch TPT CNMs. Die Ergebnisse zeigen, dass Wasser mit einer Permeabilität von ~1.1×10⁻⁴ mol·m⁻²·s⁻¹·Pa⁻¹ durch die Membran transportiert wird, was 2.500 Mal schneller ist als Helium. Diese Erkenntnis ist besonders wichtig, da sie darauf hinweist, dass Wasser in der Lage ist, schnell und kooperativ durch die sub-nanometer großen Kanäle zu translozieren. Die Untersuchung des Molekültransports durch TPT CNMs zeigt, dass diese Membranen die Passage der meisten Gase und Flüssigkeiten blockieren, während sie Wasser und Helium durchlassen. Diese Eigenschaften machen CNMs zu einem vielversprechenden Material für zukünftige Anwendungen in der Wasseraufbereitung und anderen Bereichen.

Die Dissertation untersucht auch den Ionentransport durch TPT CNMs. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Membranen als ionische Isolatoren wirken und das Eindringen von ionischen Spezies, einschließlich Protonen, verhindern. Die spezifische Membranresistenz erreicht ~10⁴ Ω·cm², was mit der typischen hohen Resistenz von planar lipid bilayers vergleichbar ist. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für die Entwicklung von Membranen, die in der Elektrochemie und anderen Anwendungen eingesetzt werden können, bei denen der Ionentransport kontrolliert werden muss. Die Analyse der Einzelkanal-Leitfähigkeit in 1 M KCl-Lösung zeigt, dass die CNMs eine vielversprechende Lösung für die Herausforderungen im Bereich der Ionenfiltration darstellen.

Die Dissertation schließt mit einem Ausblick auf die zukünftige Entwicklung von CNMs und deren Anwendungen. Die vielseitige und skalierbare Herstellungsweise dieser Membranen eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung fortschrittlicher Filtrationssysteme. Die Ergebnisse dieser Forschung haben das Potenzial, die Effizienz und Präzision von Trennprozessen erheblich zu verbessern. Die Arbeit hebt die Bedeutung von CNMs in der modernen Materialwissenschaft und Nanotechnologie hervor und bietet wertvolle Einblicke in die zukünftige Forschung in diesem Bereich.