Genereren van membranen met behulp van elektrochemische polymerisatie, of elektropolymerisatie, zou een eenvoudige en kosteneffectieve route kunnen bieden om verschillende industrieën te helpen voldoen aan de steeds strengere milieuvoorschriften en het energieverbruik te verminderen.

Onderzoekers van KAUST hebben membranen met goed gedefinieerde microscopisch kleine poriën geproduceerd door elektrochemisch organische geconjugeerde polymeren op zeer poreuze elektroden af ​​te zetten. Deze microporeuze membranen hebben tal van toepassingen, variërend van nanofiltratie met organische oplosmiddelen tot selectieve moleculaire transporttechnologieën.

Hoogwaardige scheiding is afhankelijk van membranen die robuust zijn met goed geordende en dichte microporeuze structuren, zoals zeolieten en metaalorganische raamwerken. In tegenstelling tot deze state-of-the-art materialen, conventionele polymeren produceren membranen met de gewenste kleine poriën via goedkope en schaalbare processen, maar hun amorfe architectuur en lage porositeit maken ze minder effectief.

Geconjugeerde microporeuze polymeren hebben potentieel aangetoond voor op polymeren gebaseerde membranen met verbeterde prestaties. Deze oplosmiddelstabiele polymeren vormen verknoopte netwerken met uniforme poriegroottes en een groot oppervlak wanneer ze worden gecreëerd door elektropolymerisatie, een relatief eenvoudige methode die afhankelijk is van elektroactieve monomeren. het nadeel, echter, is dat de geproduceerde membranen te bros zijn om drukgestuurde scheidingen te weerstaan. Het KAUST-team, geleid door Zhiping Lai, zocht naar een nieuwe benadering om een ​​robuust membraan te vervaardigen.

Geïnspireerd door spinnenzijde, die zijn uitzonderlijke sterkte en taaiheid ontleent aan zijn huid-kernstructuur, het team ontwikkelde een elektropolymerisatiebenadering om het geconjugeerde polymeer polycarbazol in het poreuze netwerk van een elektrode te laten groeien1. Ze dispergeerden elektroactieve carbazoolmonomeren in de elektrolytoplossing van een elektrochemische cel en oxideerden de monomeren onder aangelegde spanning om de elektrode met de polymeerfilm te coaten. De elektrode was gemaakt van op koolstof gebaseerde buisvormige nanostructuren die dienden als een stevige en poreuze steiger voor het membraan.

Het membraan vertoonde een sneller oplosmiddeltransport dan de meeste bestaande systemen vanwege het grote oppervlak en de hoge affiniteit voor organische oplosmiddelen. Het scheidde ook kleurstofmoleculen binnen een smal molecuulgewichtsverschil. "Deze smalle moleculaire zeven wordt toegeschreven aan de uniforme poriegrootte, " zegt promovendus Zongyao Zhou.

Een vergelijkbare op elektropolymerisatie gebaseerde benadering - deze keer geïnspireerd door de beschermende rol van de menselijke huid - werd door een ander door Lai geleid team gebruikt om kathodeontleding in lithium-zwavelbatterijen te voorkomen. Milieuvriendelijk en goedkoop, deze oplaadbare batterijen hebben het potentieel om meer energie op te slaan dan hun alomtegenwoordige lithium-ion-tegenhangers, waardoor ze bruikbaar zouden kunnen zijn voor elektrische auto's, drones en andere draagbare elektronica. Echter, hun zwavelkathode vormt verbindingen die polysulfiden worden genoemd en die tijdens ontlading gemakkelijk in de elektrolyt oplossen. Deze oplosbare verbindingen kunnen pendelen tussen de kathode en de anode, waardoor permanent capaciteitsverlies wordt veroorzaakt en de lithiummetaalanode wordt aangetast.

Eerdere pogingen om het oplossen van het polysulfide te voorkomen, zoals het opvangen en verankeren van de verbindingen aan de kathode, beperkt succes gehad. "We dachten dat het kweken van een kunstmatige huid voor de zwavelkathode zou helpen om polysulfidelekkage van de kathode te stoppen, ", zegt promovendus Dong Guo.

De onderzoekers synthetiseerden een ander polycarbazoolmembraan dat zich onder aangelegde spanning aan het kathodeoppervlak aanpast. Deze nanoskin heeft kleine uniforme poriën die de diffusie van polysulfide blokkeren maar een snel transport van lithiumionen vergemakkelijken. wat het zwavelgebruik en de energiedichtheid van de batterij verbetert.

Het team is van plan om het elektropolymerisatieproces in andere elektrodesystemen te evalueren. De nanoskin belooft veel voor organische batterijen, waarin het oplossen van redox-actieve organische moleculen nogal uitdagend is, zegt Lay.