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水资源短缺问题日益严峻，海水淡化备受关注。研究人员针对纳米多孔六方氮化硼（h-BN）膜开展研究，分析其孔隙与水分子的相互作用。结果发现不同孔隙对 h-BN 疏水性及水流影响不同。该研究为海水淡化技术发展提供重要依据。
在全球水资源短缺的大背景下，海水淡化成为解决淡水危机的重要途径。随着气候模式的改变和用水需求的不断增长，海水淡化技术的优化迫在眉睫。传统的海水淡化方法存在能耗高、效率低等问题，而新型膜材料的研发成为提升海水淡化效率的关键。六方氮化硼（h-BN）作为一种极具潜力的材料，其独特的结构和优良的性能吸引了众多科研人员的目光。然而，h-BN 膜在海水淡化应用中，其孔隙与水分子的相互作用机制尚不明晰，这限制了其进一步的发展和应用。
为了深入探究这一问题，来自未知研究机构的科研人员开展了相关研究，研究成果发表在《Beilstein Journal of Nanotechnology》上。这项研究意义重大，它为理解纳米多孔 h-BN 膜与水的相互作用提供了理论依据，有望推动海水淡化技术的革新，为解决全球水资源短缺问题提供新的思路和方法。
研究人员在开展研究时，主要运用了以下关键技术方法：基于密度泛函理论（DFT）的计算，利用 SIESTA 代码，采用广义梯度近似（GGA）中的 Perdew - Burke - Ernzerhof（PBE）作为交换 - 相关泛函，研究水吸附时还使用了 BH 范德华泛函；运用守恒规范的 Troullier–Martins 赝势以及标准双 ζ 加极化轨道（DZP）作为基组；通过计算形成能和吸附能，探究 h-BN 纳米孔的能量稳定性和对水分子的吸附特性。
1. h-BN 纳米孔的能量稳定性
研究人员首先对带有菱形和三角形孔隙的 h-BN 纳米片进行分析。优化后发现，菱形和三角形多孔结构出现皱纹，这是由于 60° 顶点处氢原子轨道的排斥力，使得氢原子相互排斥并向 h-BN 片的不同侧面拉伸，从而在片层中产生应变并导致面外变形。不过，在菱形或三角形的 60° 顶点处引入硼或氮原子，可以缓解这种变形。
研究发现，三角形孔隙在 B - H 或 N - H 封端边缘的情况下能够形成，其每原子计算形成能为负或低于室温下的kBT（约 25 meV）。在富氮环境中，N - H 封端更易出现；而在富硼环境中，B - H 封端更常见。此外，N - H/B - H 封端的化学计量平行四边形孔隙每原子形成能较低，表明其在实验中具有形成的潜力。
进一步研究发现，在三角形孔隙顶点引入 B - H 或 B - OH 部分，能显著降低形成能，降低幅度在 - 1.230 至 - 0.525 eV 之间。这不仅是因为缓解了氢轨道排斥引起的应变，减少了弹性能，化学效应在降低形成能中也起到了主要作用。而且，B - OH 部分降低形成能的效果比 B - H 对更明显，这与在 h-BN 大分子中的研究结果不同，主要是由于三角形孔隙内原子间排斥力更强，B - OH 部分占据空间更大。与之相反，在三角形孔隙顶点引入 N - H 对或 N - OH 部分，尽管也能缓解应变，但会显著增加形成能，增加幅度在 0.586 至 1.236 eV 之间。这表明 B - H 封端和 N - H 封端的孔隙形成动力学存在差异。
2. h-BN 纳米片中的水分子
研究人员对水分子在多孔 h-BN 纳米片上的吸附过程进行研究，重点关注了菱形孔隙。菱形孔隙相对边缘具有 N - H 和 B - H 封端，电荷分布不同，会影响极性水分子的取向，进而影响水流动力学。
研究人员设置了水分子的四种初始吸附取向，并将其初始位置定在孔隙几何中心上方不同距离处。优化后发现，在三种初始构型（取向 1 - 3）中，水分子的氧原子倾向于与 N - H 封端边缘形成偶极键，一个氢原子与相对的 B - H 封端边缘形成键。通过计算吸附能发现，使用 BH 泛函得到的吸附能比 PBE 泛函高得多。对于取向 1 - 3，使用范德华修正的 BH 泛函计算时，无论初始高度如何，最终几何构型和吸附能都相似；而使用 PBE 泛函时，优化后的几何构型和吸附能对水分子初始高度更敏感。在取向 4 中，氧原子不与 B - H 封端边缘形成氢键，由此推测水分子通过菱形孔隙的流动在孔隙区域是不对称的，在 N - H 封端边缘附近停留时间更长。
研究人员还分析了水分子在三角形纳米孔中的吸附情况。使用 PBE 泛函时，吸附能为正值；使用 BH 范德华修正泛函时，吸附能为负值。这表明孔隙形状显著影响 h-BN 单层的亲水性，三角形孔隙使 h-BN 比菱形孔隙的亲水性更差，说明孔隙形状对水流通过材料有重要影响。此外，单个水分子能在带有三角形孔隙的 h-BN 纳米片中诱导出皱纹，去除水分子后变形消失，这种现象与悬浮石墨烯膜与水相互作用的研究结果相似。
研究结论表明，在六方氮化硼纳米片的三角形和菱形孔隙 60° 顶点添加 N - H 或 B - H 对，可以缓解孔隙引起的皱纹。而且，N - H 封端的三角形孔隙在添加 B - H 对后稳定性显著增加，B - H 封端的则相反。在稳定菱形孔隙边缘方面，H 和 OH 的组合比仅使用 H 原子更有效。
不同类型的孔隙与水的相互作用存在差异，这会改变 h-BN 的疏水性并影响水流。在菱形孔隙中，水分子与 N - H 封端表面形成氢键，而与 B - N 封端表面不形成，这可能导致水流在孔隙区域不对称。
该研究深入揭示了纳米多孔 h-BN 膜与水的相互作用机制，为海水淡化技术中膜材料的优化设计提供了重要的理论指导。通过明确不同孔隙结构对水分子的影响，有助于科研人员进一步开发高效的海水淡化膜，提高海水淡化效率，降低成本，对解决全球水资源短缺问题具有重要的推动作用。
