单锥形纳米孔道离子输运研究

【摘要】：单锥形纳米孔道由于具有对称性破缺和表面电荷特性而表现出整流效应,因此在离子分离、电能供应、化学阀等领域具有重要的潜在应用价值。深入研究纳米孔道中的电学特性及纳米孔道修饰方法,对于理解纳米尺度下的离子输运特性和改进锥形纳米孔道应用性能具有重要的意义。本文基于兰州交叉学科重离子微束装置的单离子辐照技术,用单个离子辐照PET薄膜样品,通过化学蚀刻单离子径迹的方法成功制备出了单锥形纳米孔道,并测量了多种电解质溶液在单锥形纳米孔道中的离子输运特性。研究发现,在KCl、NaCl、LiCl、MgCl_2、CaCl_2五种不同的溶液中均可以观测到单锥形纳米孔道的整流效应,并且整流系数都随溶液浓度增加呈现先增大后减小的趋势;相比于一价电解质溶液,二价电解质溶液中整流系数在较低浓度下就能达到最大值。对此我们提出了单锥形纳米孔道内的离子输运模型,该模型考虑了溶液浓度、施加电压以及离子富集引起纳米孔内的势阱的变化,成功解释了观察到的实验现象。为了对整流效应有更深入的理解,我们进一步对单锥形纳米孔道的离子选择性进行了研究。我们设计实验实现了单锥形纳米孔道内离子的单向输运测试,通过阴阳离子电流大小可以确定单锥形纳米孔道的阴阳离子选择性。我们发现PET单锥形纳米孔道在多价阳离子溶液中浸泡会使其表面由负电荷态转变为正电荷态,进而导致其由阳离子选择性转变为阴离子选择性。我们继续研究了多价阳离子使单锥形纳米孔道表面电荷反转的过程,发现其表面电荷反转主要是由于多价阳离子在孔壁上的吸附,并且受到电解质溶液浓度的影响。数据显示,三价离子溶液中的电荷反转浓度小于二价离子,而一价离子溶液中未观测到表面电荷反转。