二维纳米材料六方氮化硼的薄涂层是莱斯大学工程师开发的用于工业强度盐水淡化的经济高效技术的关键成分。超过 18 亿人生活在淡水稀缺的国家。在许多干旱地区，海水或含盐的地下水丰富，但脱盐成本高昂。此外，许多行业为无法使用常规技术处理的高盐浓度废水支付高昂的处理成本。反渗透是最常见的脱盐技术，随着水中含盐量的增加，需要越来越大的压力，不能用于处理极咸或高盐度的水。

含盐量比海水多 10 倍的超咸水对许多行业来说是一个越来越重要的挑战。例如，一些油气井会大量生产它，它是许多生产淡水和浓缩盐水的海水淡化技术的副产品。莱斯大学的李奇林说，提高所有行业的用水意识也是一个驱动因素，他是发表在《自然纳米技术》上的一项关于莱斯海水淡化技术研究的共同通讯作者。

“不仅仅是石油行业，”基于水稻的纳米技术水处理中心 (NEWT) 的联合主任李说。“工业过程通常会产生含盐废水，因为趋势是重复利用水。许多行业都在尝试使用‘闭环’水系统。每次回收淡水时，其中的盐分都会变得更加浓缩。最终废水变成高盐度你要么将它淡化，要么花钱处理。”

用于淡化超咸水的常规技术具有高资本成本并且需要大量基础设施。NEWT 是一家总部位于莱斯布朗工程学院的国家科学基金会 (NSF) 工程研究中心 (ERC)，它正在利用纳米技术和材料科学的最新进展来创建分散的、适合用途的技术，用于处理饮用水和工业废水更有效率。

NEWT 的一项技术是使用太阳能和称为膜蒸馏的过程的离网海水淡化系统。当盐水流过多孔膜的一侧时，它在膜表面被光热涂层加热，吸收阳光并产生热量。当冷淡水流过膜的另一侧时，温差会产生压力梯度，促使水蒸气从热侧穿过膜到冷侧，从而将盐分和其他非挥发性污染物留在后面。

膜两侧温差大是膜脱盐效率的关键。在 NEWT 的太阳能版本技术中，附着在膜上的光激活纳米粒子从太阳中捕获所有必要的能量，从而实现高能效。Li 正在与 NEWT 的工业合作伙伴合作开发可用于人道主义目的的技术版本。但她说，仅靠非集中太阳能不足以实现高盐度盐水的高速脱盐。

“能源强度受到环境太阳能的限制，”土木与环境工程教授李说。“每平方米的能量输入只有一千瓦，大型系统的产水速度很慢。”

向膜表面加热可以使每平方英尺膜每分钟产生的淡水量呈指数级增长，这种量度称为通量。但是盐水具有很强的腐蚀性，加热后会变得更具腐蚀性。传统的金属加热元件很快就会被破坏，许多非金属替代品的表现也好不到哪里去或导电性不足。

“我们真的在寻找一种具有高导电性并支持大电流密度而不会在这种高盐水中被腐蚀的材料，”李说。

解决方案来自莱斯大学材料科学与纳米工程系 (MSNE) 的研究合著者 Jun Lou 和 Pulickel Ajayan。Lou、Ajayan 和 NEWT 博士后研究人员以及研究的共同主要作者 Kuichang Zuo 和 Weipeng Wang，以及研究的共同作者和研究生 Shuai Jia 开发了一种用六方氮化硼 (hBN) 薄膜涂覆精细不锈钢网的工艺.

氮化硼的耐化学性和导热性相结合，使其陶瓷成为高温设备中的宝贵资产，但 hBN(该材料的原子厚度 2-D 形式)通常在平坦表面上生长。

“这是第一次在不规则的多孔表面上生长这种漂亮的 hBN 涂层，”李说。“这是一个挑战，因为 hBN 涂层有缺陷的任何地方，都会开始腐蚀。”

Jia 和 Wang 使用改进的化学气相沉积 (CVD) 技术在未经处理的市售不锈钢网上生长了数十层 hBN。该技术将之前 Rice 的研究扩展到曲面上二维材料的生长，该技术得到了原子薄多功能涂层中心 (ATOMIC) 的支持。ATOMIC 中心也由 Rice 主持，并得到 NSF 的工业/大学合作研究计划的支持。

研究人员表明，只有约百万分之一米厚的金属丝网涂层足以包裹交织的金属丝并保护它们免受高盐水的腐蚀。带涂层的金属丝网加热元件连接到市售的聚偏二氟乙烯膜上，该膜卷成螺旋缠绕模块，这是许多商业过滤器中使用的一种节省空间的形式。

在测试中，研究人员以 50 赫兹的家用频率和高达每平方米 50 千瓦的功率密度为加热元件供电。在最大功率下，该系统每小时每平方米膜产生超过 42 公斤的水通量——比环境太阳能膜蒸馏技术高 10 倍以上——能源效率远高于现有的膜蒸馏技术。

Li 表示，该团队正在寻找行业合作伙伴来扩大 CVD 涂层工艺，并为小规模现场测试生产更大的原型。

“我们已经准备好进行一些商业应用，”她说。“从实验室规模的工艺扩展到大型二维 CVD 片材将需要外部支持。”