Wenn elektrischer Strom zwischen den Elektroden in einem dieser Geräte fließt, wird er durch einen Austausch geladener Moleküle, so genannter Ionen, innerhalb des Geräts ausgeglichen. Diese werden in Flüssigkeiten, den so genannten Elektrolyten, erzeugt, die jede Elektrode umgeben. Die Aufgabe der Ionenaustauschmembran besteht darin, die beiden Elektroden und ihre jeweiligen Elektrolyte zu trennen, während die Ionen zwischen ihnen hindurchfließen können.
Eine gute Ionenaustauschmembran lässt die Ionen schnell durch, was dem Gerät eine höhere Energieeffizienz verleiht, während sie die Elektrolytmoleküle auf ihrem Weg aufhält. Sobald Elektrolyte durchdringen, verliert das Gerät allmählich seine Wirksamkeit und seine Lebensdauer verringert sich. „Die Membranen müssen also sehr leitfähig, aber auch sehr selektiv sein, und das ist die größte Herausforderung auf diesem Gebiet“, erklärt Dr. Qilei Song vom Department of Chemical Engineering am Imperial College.
Die derzeit für Ionenaustauschmembranen verwendeten Materialien sind alles andere als ideal. Das weit verbreitete Nafion zum Beispiel ist teuer und wird mit Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) hergestellt, die in den USA und Europa wegen ihrer Toxizität und extremen Persistenz in der Umwelt derzeit aus dem Verkehr gezogen werden. Daher besteht ein Bedarf an alternativen nachhaltigen Kohlenwasserstoffmembranen.
Alternative Membranen
Dr. Song arbeitet seit mehr als einem Jahrzehnt an einer neuen Generation synthetischer Polymermembranen. Diese basieren auf einer Klasse von Materialien, die als Polymere mit intrinsischer Mikroporosität (PIM) bekannt sind und ein starres und verdrehtes Rückgrat haben, das wie Fusilli-Nudeln von winzigen Poren durchzogen ist. Diese stundenglasförmigen Mikroporen bilden geordnete Kanäle, durch die kleine Moleküle und Ionen wandern können, während die Porentore wie Siebe funktionieren, die große Moleküle und Ionen blockieren.
Nachdem Dr. Song seine Gruppe am Imperial College gegründet hatte, griff er die Idee der Herstellung von ionenleitenden PIM-Membranen wieder auf, die er ursprünglich in seiner Doktorarbeit im Jahr 2012 untersucht hatte. Seitdem arbeitet die Gruppe von Dr. Song daran, das Material weiterzuentwickeln und Wege zur Feinabstimmung seines Verhaltens zu finden, damit seine Leistung für bestimmte Anwendungen optimiert werden kann. Bislang haben sie eine Reihe von Polymermembranen mit verschiedenen ionenleitenden Gruppen entwickelt, aber es sind noch einige Herausforderungen zu lösen.
„Die Untersuchung und Kontrolle der Membranquellung war besonders wichtig, da dies die Poren öffnen und die Selektivität des Materials verringern kann“, sagte Dr. Anqi Wang, der Hauptautor der jüngsten Studie. „Durch das Hinzufügen von hydrophoben Seitengruppen an das PIM-Polymergerüst, wie Oxadiazol- und Benzolringe, können wir die lokale Hydrophobie einstellen und somit die Porengröße und den Ionentransport anpassen, wenn sich die Membran in einer wässrigen Lösung befindet“, erklärte er.
Wasser und Ionentransport verstehen
„Eine wissenschaftliche Frage, die uns viele Jahre lang beschäftigt hat, ist, wie sich die Porenstrukturen der Membranen im Nanomaßstab im Hydratationszustand verändern und wie Ionen transportiert werden“, so Dr. Song. Das Team nutzte die molekulare Modellierung, um zu untersuchen, wie die Membranen in Wasser aufquellen, wie sich dies auf die Porengröße auswirkt und wie Ionen durch verschiedene Stellen in der Membran gelangen. Die Modellierung wurde von Charlotte Breakwell durchgeführt, einer Doktorandin in der Abteilung für Chemie am Imperial College, die von Prof. Kim Jelfs betreut wird.
„Indem wir die Polymermodelle in hydratisiertem Zustand aufbauen, können wir die winzige Veränderung der Porengröße bei Hydratisierung differenzieren, die experimentell nicht zu erkennen ist“, so Breakwell. „Unsere quantitative Analyse deutet außerdem darauf hin, dass die Ionen selektiv durch diese Mikroporen diffundieren und ihre Dynamik mit der Wasserdiffusion verknüpft ist. „Diese molekulare Modellierung bestätigt die Wirksamkeit der Abstimmung der lokalen Hydrophobizität um die Poren herum“, so Dr. Wang. „Jetzt wissen wir, dass unsere neue Membran zwar ein wenig quillt, ihre Poren aber immer noch unter dem Durchmesser von einem Nanometer liegen, den wir brauchen, um die Selektivität zu erhalten.“
Ein genauerer Blick
Auf der Grundlage dieses Ergebnisses untersuchte das Team die Wasser- und Ionendynamik in diesen Subnanometerporen genauer. Die Art und Weise, wie sich Wasser in der Membran verhält, wurde im Nanomaßstab mit quasi-elastischer Neutronenstreuung (QENS) untersucht, die von Dr. Fabrizia Foglia am University College London und der ISIS Neutron and Muon Source am Rutherford Appleton Laboratory in Harwell durchgeführt wurde.
„Mit Hilfe der Neutronenstreuung sind wir in der Lage, die weiträumige und lokale Wasserdiffusion in diesen Mikroporen zu unterscheiden“, so Dr. Foglia. „Diese Ergebnisse deuten auf ein stark vernetztes Netzwerk von Wasserclustern in den großen Poren hin, was mit den Ergebnissen der Molekulardynamiksimulationen übereinstimmt.“
Weitere Informationen über die Wasser- und Ionendiffusion stammen aus Kernspinresonanzstudien, die vom Team von Prof. Melanie Britton an der Universität Birmingham durchgeführt wurden. „Wir freuen uns, mit unserem Fachwissen im Bereich der NMR-Spektroskopie zu dieser Arbeit beizutragen, die die Dynamik des Wasser- und Ionentransports in diesen neuartigen Membranen effektiv untersucht“, sagte Prof. Britton.
Diese experimentellen Ergebnisse wurden durch Tests in einer Redox-Flow-Batterie untermauert, die gut funktionierte und sich fast zwei Monate lang als stabil erwies. „Dies ist sehr wichtig, da diese Batterien für die Speicherung von grüner Energie in großem Maßstab und über lange Zeiträume verwendet werden sollen“, erklärte Dr. Song. „Man möchte diese Batterien mehrere Stunden lang betreiben und gleichzeitig eine Lebensdauer von 10 oder 20 Jahren haben, und wenn die Batterie schnell zerfällt, kann sie nicht lange betrieben werden.“
Nächste Schritte
Die Arbeit an den Materialien wird fortgesetzt, und es werden nun weitere Möglichkeiten zur Feinabstimmung ihrer Struktur und Funktion erforscht. Es besteht auch die Möglichkeit, das Membranmaterial für andere Anwendungen zu optimieren. Eine Forschungsrichtung konzentriert sich auf die Weiterentwicklung dieser selektiven Membranen für Anwendungen wie die Lithiumextraktion. Dies steht im Zusammenhang mit den Arbeiten der Gruppe zu neuen Membranverfahren für eine energieeffiziente Ressourcengewinnung.
„Wir hoffen, dass wir in Zukunft die Entdeckung von Membranmaterialien durch fortschrittliche datengesteuerte Ansätze mit Hilfe von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz beschleunigen können“, sagt Prof. Jelfs, der auch das AI for Chemistry Hub leitet, ein gemeinsames Projekt von Imperial und der Universität Liverpool, bei dem maschinelles Lernen auf die molekulare Modellierung und die Entwicklung neuer Materialien angewendet wird.
Patent und Kommerzialisierung
Die Imperial-Gruppe hat ein Patent auf die Membranmaterialien und verschiedene Aspekte ihrer Verwendung angemeldet. Mit der Unterstützung eines UKRI Impact Acceleration Grant und eines European Research Council Proof-of-Concept Grant hat das Team auch die Machbarkeit der Verwendung der Membranen in einer Reihe von Geräten nachgewiesen. „Wir untersuchen derzeit die Möglichkeiten für die Kommerzialisierung der Technologie und suchen Industriepartner, die uns bei der Weiterentwicklung helfen“, so Dr. Song.
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