Из кожуры арбуза сделали ион-селективные мембраны

Китайские материаловеды изготовили ион-селективные мембраны из кожуры арбуза. Благодаря сети водородных связей такие мембраны пропускают гидроксил-анионы, но не пропускают более крупные анионы. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Ион-селективными называют мембраны, которые пропускают только определенные типы ионов. Чаще всего мембрана делит ионы по заряду: например, пропускает только положительно заряженные ионы (катионы), а отрицательно заряженные ионы (анионы) и нейтральные частицы отталкивает. Иногда мембрана может реагировать и на размер иона — например, связывать катионы тяжелых металлов. Ион-селективные и ион-обменные мембраны могут быть полезны в самых разных устройствах: от фильтров для воды до ячеек для электрохимического получения водорода и захвата углекислого газа. Однако, пока что выбор материалов для них ограничен. К тому же, в процессе работы все мембраны подвергаются коррозии и постепенно выходят из строя, так что делать их из дорогих и невозобновляемых материалов невыгодно.

Материаловеды под руководством Ли Чэн Суня (Licheng Sun) из Университета Уэстлейка сделали ион-слективные мембраны из кожуры обыкновенного арбуза. Дело в том, что кожура арбуза не только имеет пористую структуру, но и состоит из целлюлозы. Этот природный полимер уже использовался для создания ион-селективных мембран: из-за множества отрицательно заряженных группами на поверхности они плохо пропускают отрицательно заряженные ионы. В кожуре арбуза целлюлозный каркас покрыт слоями более мягкого растительного полисахарида пектина. Благодаря своим гидрофильным свойствам, пектин обеспечивает арбузам и другим фруктам тургор — наполнение водой. Сунь и его коллеги решили проверить, как повлияет добавка пектина на свойства целлюлозных мембран.

Чтобы сделать мембраны, ученые замораживали кожуру арбуза при температуре −20 градусов Цельсия и резали ее на пластинки толщиной 75 микрометров. Образы выбирали из разных областей кожуры — и жестких наружных, и более мягких и богатых пектином внутренних. С помощью методов просвечивающей электронной микроскопии, инфракрасной спектроскопии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса, авторы выяснили, что кожура пронизана разветвленной сетью каналов диаметром от 2 до 5 нанометров. Стенки каналов состоят из целлюлозы и гемицеллюлозы, а пектин равномерно заполняет каждый канал изнутри. Такая комбинация жестких и мягких материалов позволяет арбузной кожуре впитывать воду, но в то же время сохранять форму и не превращаться в полужидкий гидрогель.

Прочность арбузных мембран оказалась лишь немногим меньше, чем прочность коммерчески доступных мембран (арбузные мембраны выдерживали растягивающее напряжение до 4,7 мегапаскаля против для 5,9 мегапаскаля у мембраны Sustainion). А вот воды они впитывали почти в двадцать раз больше — до 482 процентов изначальной массы (у Sustainion только 26 процентов). Самое главное, что ионная проводимость в щелочной среде у арбузных мембран оказалась высокой — до 101 милисименс на сантиметр против 94 у Sustainion. Это значит, что для гидроксильных анионов — основных переносчиков заряда в щелочной среде — арбузная кожура была хорошо проницаема. При этом более крупные анионы (формиат, ацетат и другие) через арбузные мембраны не проходили — в среднем на выходе их было в десять раз меньше, чем в экспериментах с коммерческими мембранами.

Авторы предложили такой высокой селективности следующее объяснение: как и в других целлюлозных мембранах, отрицательно заряженные группы на внутренней поверхности пор отталкивают все отрицательно заряженные анионы. Однако, поскольку наполненный водой пектин образует разветвленную сеть водородных связей внутри пор, гидроксильные анионы (OH-) могут двигаться через него с помощью переноса протонов (механизм Гротгуса).

Полученные мембраны испытали в ячейках для электрохимического восстановления углекислого газа в щелочном растворе гидроксида калия (KOH). Мембрану установили перед анодом, и она хорошо пропускала электролит (гидроксил-анионы OH-), но блокировла анионы формиата и других кислот, а также нейтральные молекулы спиртов, которые мешают работе ячейки.

Таким образом, Сунь и его коллеги продемонстрировали принципиальную возможность создания ион-селективных мембран из кожуры арбуза. Насколько стабильной и воспроизводимой будет работа таких мембран и насколько экономически выгодным может быть их использование, еще предстоит выяснить. Однако, авторы отметили, что, даже если сами арбузные мембраны не получат коммерческого применения, они могут служить образцом для разработки других пористых материалов с системой водородных связей.

В прошлом году мы рассказывали о целлюлозных мембранных фильтрах, которые разработали американские материаловеды. Такие фильтры очищают питьевую воду от солей свинца, при этом сорбированный металл можно регенерировать, а сами фильтры использовать повторно.