Resistência ultra-alta do nitreto de boro hexagonal à formação de incrustações minerais

Nature Communications volume 13, número do artigo: 4523 (2022) Citar este artigo

5948 acessos

6 citações

10 Altmétrico

Detalhes das métricas

A formação de incrustações minerais na superfície de um material tem um impacto profundo em uma ampla gama de processos naturais, bem como em aplicações industriais. No entanto, como as características específicas da superfície do material afetam as interações mineral-superfície e a subsequente formação de incrustações minerais não é bem compreendida. Aqui relatamos a resistência superior do nitreto de boro hexagonal (hBN) à formação de incrustações minerais em comparação não apenas com superfícies comuns de metal e polímero, mas também com o grafeno altamente resistente à incrustação, tornando o hBN possivelmente o material mais resistente à incrustação relatado até o momento. Resultados experimentais e de simulação revelam que esta resistência à incrustação ultra-alta é atribuída à combinação da superfície atomicamente lisa do hBN, à ondulação da energia atômica no plano devido à ligação polar boro-nitrogênio e à estreita correspondência entre seu espaçamento interatômico e o tamanho de moléculas de água. As duas últimas propriedades levam a fortes interações polares com a água e, portanto, à formação de uma densa camada de hidratação, o que dificulta fortemente a aproximação de íons minerais e cristais, diminuindo tanto a nucleação heterogênea da superfície quanto a fixação de cristais.

As interações interfaciais desempenham um papel fundamental em muitos processos aquosos, incluindo adsorção, reação catalítica, corrosão, filtração e formação de incrustações. Em particular, a formação de incrustações, ou seja, o desenvolvimento de depósitos minerais na superfície de um material devido à precipitação da solução a granel e/ou formação de cristais iniciada pela nucleação da superfície, tem grandes impactos na transferência interfacial de massa, calor, elétrons e luz. Causa profundo declínio de desempenho em vários processos industriais, como transferência de calor prejudicada em trocadores de calor e caldeiras, aumento da queda de pressão em tubulações, bloqueio de fluxo em membranas de filtração, danos por corrosão em turbinas a vapor, diminuição da condutividade e atividade dos eletrodos, falha prematura do aquecimento e componentes eletroquímicos etc.1,2,3,4, todos levando a maiores custos de operação e riscos de segurança. É relatado que a perda económica devido à incrustação mineral em caldeiras, turbinas e permutadores de calor é responsável por 0,17-0,25% do produto interno bruto (PIB) nos países industrializados5. Compreender o comportamento da incrustação mineral é importante para o desenvolvimento de materiais e tecnologias de próxima geração que abordem esses desafios críticos.

A formação de incrustações pode ocorrer através da deposição de cristais minerais formados na solução a granel, bem como através de nucleação heterogênea induzida pela superfície com cristais crescendo a partir de locais de nucleação em uma superfície . Ambos os processos são fortemente influenciados pelas propriedades da superfície do material. Semelhante à deposição de outras partículas, as propriedades do material afetam a fixação de cristais minerais através de interações hidrofóbicas e eletrostáticas. A nucleação heterogênea induzida pela superfície é um processo termodinamicamente mais favorável, mas é pouco compreendido porque ocorre em escalas de tempo e comprimento muito pequenas7. Poucos estudos anteriores investigaram as diferentes propriedades superficiais que influenciam a nucleação heterogênea induzida pela superfície: rugosidade, carga e hidrofobicidade . A rugosidade da superfície está diretamente relacionada ao número de locais de nucleação; é geralmente reconhecido que a cristalização mineral aumenta com a rugosidade da superfície. No entanto, as descobertas sobre o impacto da carga e da hidrofobicidade da superfície têm sido inconsistentes. Por exemplo, alguns estudos descobriram que a carga superficial influenciou a nucleação heterogênea através de interações eletrostáticas ou reações de complexação com os íons minerais , enquanto outros relataram taxas de nucleação semelhantes em superfícies de cargas diferentes . Resultados contraditórios também foram relatados sobre o papel da hidrofobicidade superficial na incrustação mineral. Revestimentos hidrofílicos como óxido de grafeno (GO), polímeros de enxerto e polietilenoglicol demonstraram retardar o início da incrustação de CaCO3 em alguns estudos10,11,12, enquanto outros estudos mostraram que superfícies hidrofílicas promoviam a nucleação de CaCO38, e GO não tinha anti -efeito de escala13. Uma possível razão para tal aparente contradição é que a modificação de uma propriedade de superfície (por exemplo, hidrofobicidade ou carga) muitas vezes leva a mudanças inevitáveis ​​em outras propriedades de superfície, o que torna difícil discernir o papel de uma propriedade de superfície individual para o desenvolvimento de anti-incrustações. materiais.