Wetenschappers van het Imperial College London hebben een nieuw type membraan gemaakt dat de inspanningen op het gebied van waterzuivering en batterij-energieopslag zou kunnen verbeteren.

De nieuwe benadering van het ontwerp van ionenuitwisselingsmembranen, die vandaag wordt gepubliceerd in Natuurmaterialen , maakt gebruik van goedkope plastic membranen met veel kleine hydrofiele ('wateraantrekkende') poriën. Ze verbeteren de huidige technologie die duurder is en moeilijker praktisch toe te passen.

Huidige ionenuitwisselingsmembranen, bekend als Nafion, worden gebruikt om water te zuiveren en de output van hernieuwbare energie op te slaan in brandstofcellen en batterijen. Echter, de ionentransportkanalen in Nafion-membranen zijn niet goed gedefinieerd en de membranen zijn erg duur.

In tegenstelling tot, goedkope polymeermembranen zijn op grote schaal gebruikt in de membraanindustrie in verschillende contexten, van het verwijderen van zout en verontreinigende stoffen uit het water, tot aardgaszuivering, maar deze membranen zijn meestal niet geleidend of selectief genoeg voor ionentransport.

Nutsvoorzieningen, een multi-institutioneel team onder leiding van Imperial's Dr. Qilei Song en professor Neil McKeown aan de Universiteit van Edinburgh heeft een nieuwe ionentransportmembraantechnologie ontwikkeld die de kosten van het opslaan van energie in batterijen en van het zuiveren van water zou kunnen verlagen.

Ze ontwikkelden de nieuwe membranen met behulp van computersimulaties om een ​​klasse microporeuze polymeren te bouwen, bekend als polymeren van intrinsieke microporositeit (PIM's), en veranderen hun bouwstenen voor verschillende eigenschappen.

Hun uitvinding zou kunnen bijdragen aan het gebruik en de opslag van hernieuwbare energie, en de beschikbaarheid van schoon drinkwater in ontwikkelingslanden te vergroten.

Hoofdauteur Dr. Song, van de afdeling Chemische Technologie van Imperial, zei:"Ons ontwerp verwelkomt een nieuwe generatie membranen voor een verscheidenheid aan toepassingen - zowel het verbeteren van levens als het stimuleren van opslag van hernieuwbare energie zoals zonne- en windenergie, die de klimaatverandering zal helpen bestrijden."

Fusilli-ruggengraat

De polymeren zijn gemaakt van stijve en gedraaide ruggengraat, zoals fusilli-pasta. Ze bevatten kleine poriën die bekend staan ​​als 'microporiën' en die zorgen voor stijve, geordende kanalen waardoor moleculen en ionen selectief reizen op basis van hun fysieke grootte.

De polymeren zijn ook oplosbaar in gewone oplosmiddelen, zodat ze in superdunne films kunnen worden gegoten, wat het ionentransport verder versnelt. Deze factoren betekenen dat de nieuwe membranen kunnen worden gebruikt in een breed scala aan scheidingsprocessen en elektrochemische apparaten die snel en selectief ionentransport vereisen.

Water

Om PIM's watervriendelijker te maken, het team nam wateraantrekkende functionele groepen op, bekend als de base- en amidoximgroepen van Tröger, om kleine zoutionen door te laten terwijl grote ionen en organische moleculen worden vastgehouden.

Het team toonde aan dat hun membranen zeer selectief waren bij het filteren van kleine zoutionen uit water, en bij het verwijderen van organische moleculen en organische microverontreinigingen voor gemeentelijke waterbehandeling. Dr. Song zei:"Dergelijke membranen kunnen worden gebruikt in nanofiltratiesystemen voor water en op veel grotere schaal worden geproduceerd om drinkwater te leveren in ontwikkelingslanden."

Ze zijn ook specifiek genoeg om lithiumionen uit magnesium in zout water te filteren - een techniek die de behoefte aan duur gedolven lithium zou kunnen verminderen, wat de belangrijkste bron is voor lithium-ionbatterijen.

Dr. Song zei:"Misschien kunnen we nu duurzaam lithium halen uit zeewater- of pekelreservoirs in plaats van onder de grond te delven, wat minder duur zou zijn, milieuvriendelijker, en helpen bij de ontwikkeling van elektrische voertuigen en grootschalige opslag van hernieuwbare energie."

Batterijen

Batterijen slaan energie op die is gemaakt door hernieuwbare bronnen zoals wind en zon, voordat de energie aan het net wordt geleverd en huizen van stroom voorziet. Het net kan deze batterijen aanboren wanneer hernieuwbare bronnen bijna leeg zijn, bijvoorbeeld wanneer zonnepanelen 's nachts geen energie verzamelen.

Flow-batterijen zijn geschikt voor dergelijke grootschalige langdurige opslag, maar de huidige commerciële flow-batterijen gebruiken dure vanadiumzouten, zwavelzuur, en Nafion-ionenuitwisselingsmembranen, die duur zijn en de grootschalige toepassingen van flowbatterijen beperken.

Een typische stroombatterij bestaat uit twee tanks met elektrolytoplossingen die langs een membraan tussen twee elektroden worden gepompt. De membraanscheider zorgt ervoor dat ladingdragende ionen tussen de tanks kunnen worden getransporteerd, terwijl vermenging van de twee elektrolyten wordt voorkomen. Het vermengen van materialen kan leiden tot achteruitgang van de batterijprestaties.

Met behulp van hun nieuwe generatie PIM's, de onderzoekers ontwierpen goedkoper, gemakkelijk te verwerken membranen met goed gedefinieerde poriën die specifieke ionen doorlaten en andere buiten houden. Ze demonstreerden de toepassingen van hun membranen in organische redoxflow-batterijen met behulp van goedkope organische redox-actieve soorten zoals chinonen en kaliumferrocyanide. Hun PIM-membranen vertoonden een hogere moleculaire selectiviteit naar ferrocyanide-anionen, en dus lage 'crossover' van redoxsoorten in de batterij, wat kan leiden tot een langere levensduur van de batterij.

Co-eerste auteur Rui Tan, een doctoraat onderzoeker bij de afdeling Chemische Technologie, zei:"We onderzoeken een breed scala aan batterijchemie die kan worden verbeterd met onze nieuwe generatie ionentransportmembranen, van solid-state lithium-ionbatterijen tot goedkope flowbatterijen."

Wat is het volgende?

De ontwerpprincipes van deze ion-selectieve membranen zijn generiek genoeg dat ze kunnen worden uitgebreid tot membranen voor industriële scheidingsprocessen, afscheiders voor toekomstige generaties batterijen zoals natrium- en kaliumionbatterijen, en vele andere elektrochemische apparaten voor energieomzetting en -opslag, waaronder brandstofcellen en elektrochemische reactoren.

Co-eerste auteur Anqi Wang, ook een Ph.D. onderzoeker bij de afdeling Chemische Technologie, zei:"De combinatie van snel ionentransport en selectiviteit van dit nieuwe ion-selectieve membraan maakt ze aantrekkelijk voor een breed scala aan industriële toepassingen."

Volgende, de onderzoekers gaan dit type membraan opschalen tot filtratiemembranen. Ze zullen ook kijken naar de commercialisering van hun producten in samenwerking met de industrie, en werken met RFC-vermogen, een spin-out stroombatterijbedrijf opgericht door Imperial co-auteur professor Nigel Brandon.