Résistance ultra élevée du nitrure de bore hexagonal à la formation de tartre minéral

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4523 (2022) Citer cet article

5948 Accès

6 citations

dixAltmétrique

Détails des métriques

La formation de tartre minéral sur la surface d’un matériau a un impact profond sur un large éventail de processus naturels ainsi que sur des applications industrielles. Cependant, la façon dont les caractéristiques spécifiques de la surface des matériaux affectent les interactions minéral-surface et la formation ultérieure de tartre minéral n'est pas bien comprise. Nous rapportons ici la résistance supérieure du nitrure de bore hexagonal (hBN) à la formation de tartre minéral par rapport non seulement aux surfaces métalliques et polymères courantes, mais également au graphène hautement résistant au tartre, faisant du hBN probablement le matériau le plus résistant au tartre signalé à ce jour. Les résultats expérimentaux et de simulation révèlent que cette très haute résistance à l'entartrage est attribuée à la combinaison de la surface atomiquement lisse du hBN, de l'ondulation de l'énergie atomique dans le plan due à la liaison polaire bore-azote et à la correspondance étroite entre son espacement interatomique et la taille de molécules d'eau. Ces deux dernières propriétés conduisent à de fortes interactions polaires avec l’eau et donc à la formation d’une couche d’hydratation dense, qui gêne fortement l’approche des ions minéraux et des cristaux, diminuant à la fois la nucléation hétérogène en surface et l’attachement des cristaux.

Les interactions interfaciales jouent un rôle fondamental dans de nombreux processus aqueux, notamment l'adsorption, la réaction catalytique, la corrosion, la filtration et la formation de tartre. En particulier, la formation de tartre, c'est-à-dire le développement de dépôts minéraux sur la surface d'un matériau en raison de la précipitation de la solution globale et/ou de la formation de cristaux initiée par la nucléation en surface, a un impact important sur le transfert interfacial de masse, de chaleur, d'électrons et de lumière. Il provoque une baisse profonde des performances dans de nombreux processus industriels, tels qu'une altération du transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur et les chaudières, une augmentation de la chute de pression dans les tuyaux, un blocage du débit dans les membranes de filtration, des dommages dus à la corrosion des turbines à vapeur, une diminution de la conductivité et de l'activité des électrodes, une défaillance prématurée du système de chauffage. et composants électrochimiques, etc.1,2,3,4, tout cela entraînant des coûts d'exploitation et des risques de sécurité plus élevés. Il est rapporté que les pertes économiques dues au tartre minéral dans les chaudières, les turbines et les échangeurs de chaleur représentent 0,17 à 0,25 % du produit intérieur brut (PIB) dans les pays industrialisés5. Comprendre le comportement du tartre des minéraux est important pour le développement de matériaux et de technologies de nouvelle génération qui répondent à ces défis critiques.

La formation de tartre peut se produire par le dépôt de cristaux minéraux formés dans la solution globale, ainsi que par une nucléation hétérogène induite en surface avec des cristaux se développant à partir de sites de nucléation sur une surface6. Les deux processus sont fortement influencés par les propriétés de surface des matériaux. Semblables au dépôt d’autres particules, les propriétés des matériaux affectent la fixation des cristaux minéraux via des interactions hydrophobes et électrostatiques. La nucléation hétérogène induite par la surface est un processus thermodynamiquement plus favorable, mais il est mal compris car il se produit sur de très petites échelles de temps et de longueur7. Peu d’études antérieures ont étudié les différentes propriétés de surface qui influencent la nucléation hétérogène induite par la surface : rugosité, charge et hydrophobicité6. La rugosité de la surface est directement liée au nombre de sites de nucléation ; il est généralement reconnu que la cristallisation minérale augmente avec la rugosité de la surface. Cependant, les résultats sur l’impact de la charge et de l’hydrophobie de la surface sont incohérents. Par exemple, certaines études ont montré que la charge de surface influençait la nucléation hétérogène via des interactions électrostatiques ou des réactions de complexation avec les ions minéraux2,8, tandis que d'autres rapportaient des taux de nucléation similaires sur des surfaces de charges différentes9. Des résultats contradictoires ont également été rapportés sur le rôle de l'hydrophobie de la surface dans le tartre des minéraux. Il a été démontré que les revêtements hydrophiles tels que l'oxyde de graphène (GO), les polymères greffés et le polyéthylène glycol retardent l'apparition de la mise à l'échelle du CaCO3 dans certaines études10,11,12, tandis que d'autres études ont montré que les surfaces hydrophiles favorisaient la nucléation du CaCO38 et que GO n'avait aucun effet anti-oxydant. -effet d'échelle13. Une des raisons possibles d'une telle contradiction apparente est que la modification d'une propriété de surface (par exemple, l'hydrophobicité ou la charge) conduit souvent à des changements inévitables dans d'autres propriétés de surface, ce qui rend difficile de discerner le rôle d'une propriété de surface individuelle dans le développement de produits anti-tartre. matériaux.