六方晶窒化ホウ素の鉱物スケール形成に対する超高い耐性

Nature Communications volume 13、記事番号: 4523 (2022) この記事を引用

5948 アクセス

6 引用

10 オルトメトリック

メトリクスの詳細

材料表面上の鉱物スケールの形成は、工業用途だけでなく、広範囲の自然プロセスに重大な影響を与えます。 しかし、特定の材料表面の特性が鉱物と表面の相互作用やその後の鉱物スケールの形成にどのような影響を与えるかはよくわかっていません。 今回我々は、六方晶系窒化ホウ素（hBN）のミネラルスケール形成に対する耐性が、一般的な金属やポリマー表面だけでなく、耐スケール性の高いグラフェンと比較して優れていることを報告し、hBNはおそらくこれまでに報告されている中で最もスケール耐性のある材料となっている。 実験とシミュレーションの結果から、この超高いスケーリング耐性は、hBN の原子的に滑らかな表面、極性ホウ素窒素結合による面内原子エネルギー波形、およびその原子間距離とそのサイズの緊密な一致の組み合わせによるものであることが明らかになりました。水の分子。 後者の 2 つの特性は、水との強い極性相互作用をもたらし、その結果、鉱物イオンと結晶の接近を強力に妨げる高密度の水和層の形成をもたらし、表面の不均一核生成と結晶付着の両方を減少させます。

界面相互作用は、吸着、触媒反応、腐食、濾過、スケール形成などの多くの水性プロセスにおいて基本的な役割を果たします。 特に、スケール形成、すなわち、バルク溶液からの沈​​殿および/または表面核生成によって開始される結晶形成による材料表面上の鉱物堆積物の発達は、質量、熱、電子、および光の界面移動に大きな影響を与えます。 これは、熱交換器やボイラーでの熱伝達の低下、パイプ内の圧力損失の増加、濾過膜の流れの閉塞、蒸気タービンの腐食損傷、電極の導電性と活性の低下、暖房の早期故障など、多くの工業プロセスで重大な性能低下を引き起こします。電気化学コンポーネントなど 1、2、3、4 はすべて、運用コストと安全上のリスクの増加につながります。 ボイラー、タービン、熱交換器における鉱物スケールによる経済的損失は、先進国では国内総生産 (GDP) の 0.17 ～ 0.25% を占めると報告されています5。 鉱物スケールの挙動を理解することは、これらの重要な課題に対処する次世代の材料や技術の開発にとって重要です。

スケールの形成は、バルク溶液中で形成される鉱物結晶の堆積や、表面上の核形成部位から結晶が成長する表面誘起不均一核形成によって発生する可能性があります6。 どちらのプロセスも材料の表面特性に強く影響されます。 他の粒子の堆積と同様に、材料特性は疎水性および静電相互作用を介して鉱物結晶の付着に影響を与えます。 表面誘起不均一核生成は熱力学的に有利なプロセスですが、非常に短い時間と長さのスケールで起こるため、よく理解されていません7。 これまでの研究では、表面誘起不均一核生成に影響を与えるさまざまな表面特性、つまり粗さ、電荷、疎水性を調査した例はほとんどありません6。 表面粗さは核形成サイトの数に直接関係します。 鉱物の結晶化は表面粗さとともに増加することが一般に認識されています。 しかし、電荷と表面疎水性の影響に関する発見は一貫していません。 たとえば、いくつかの研究では、表面電荷が鉱物イオンとの静電相互作用または錯体形成反応を介して不均一な核生成に影響を与えることを発見しました 2,8 一方で、他の研究では、異なる電荷の表面で同様の核生成速度が報告されました 9。 鉱物スケールにおける表面疎水性の役割については、矛盾した結果も報告されています。 酸化グラフェン (GO)、グラフトポリマー、ポリエチレングリコールなどの親水性コーティングは、一部の研究で CaCO3 スケーリングの開始を遅らせることが示されています 10、11、12。一方、他の研究では、親水性表面が CaCO3 の核形成を促進し、GO には抗酸化作用がないことが示されています。 -スケーリング効果13. このような明らかな矛盾の考えられる理由の 1 つは、表面特性 (疎水性や電荷など) の変更が他の表面特性の必然的な変化につながることが多く、そのためスケール防止の開発における個々の表面特性の役割を識別することが困難であることです。材料。