Cientistas do Imperial College London criaram um novo tipo de membrana que pode melhorar a purificação da água e os esforços de armazenamento de energia da bateria.

A nova abordagem para o projeto de membrana de troca iônica, que é publicado hoje em Materiais da Natureza , usa membranas plásticas de baixo custo com muitos poros minúsculos hidrofílicos ('que atraem água'). Eles aprimoram a tecnologia atual, que é mais cara e difícil de aplicar na prática.

Membranas de troca iônica atuais, conhecido como Nafion, são usados ​​para purificar a água e armazenar a produção de energia renovável em células de combustível e baterias. Contudo, os canais de transporte de íons nas membranas de Nafion não são bem definidos e as membranas são muito caras.

Em contraste, Membranas de polímero de baixo custo têm sido amplamente utilizadas na indústria de membrana em vários contextos, da remoção de sal e poluentes da água, à purificação do gás natural - mas essas membranas geralmente não são condutoras ou seletivas o suficiente para o transporte de íons.

Agora, uma equipe multi-institucional liderada pelo Dr. Qilei Song do Imperial e Professor Neil McKeown da Universidade de Edimburgo desenvolveu uma nova tecnologia de membrana de transporte de íons que pode reduzir o custo de armazenamento de energia em baterias e de purificação de água.

Eles desenvolveram as novas membranas usando simulações de computador para construir uma classe de polímeros microporosos, conhecidos como polímeros de microporosidade intrínseca (PIMs), e alterar seus blocos de construção para propriedades variadas.

Sua invenção pode contribuir para o uso e armazenamento de energia renovável, e aumentar a disponibilidade de água potável nas nações em desenvolvimento.

Autor principal, Dr. Song, do Departamento de Engenharia Química do Imperial, disse:"Nosso projeto aclama uma nova geração de membranas para uma variedade de usos - tanto melhorando vidas quanto aumentando o armazenamento de energia renovável, como energia solar e eólica, que ajudará a combater as mudanças climáticas. "

Backbones Fusilli

Os polímeros são feitos de backbones rígidos e torcidos, como macarrão fusilli. Eles contêm minúsculos poros conhecidos como 'microporos' que fornecem rigidez, canais ordenados através dos quais moléculas e íons viajam seletivamente com base em seus tamanhos físicos.

Os polímeros também são solúveis em solventes comuns, de modo que podem ser fundidos em filmes superfinos, o que acelera ainda mais o transporte de íons. Esses fatores significam que as novas membranas podem ser usadas em uma ampla gama de processos de separação e dispositivos eletroquímicos que requerem transporte iônico rápido e seletivo.

Água

Para tornar os PIMs mais amigáveis ​​à água, a equipe incorporou grupos funcionais de atração de água, conhecido como base de Tröger e grupos amidoxima, para permitir que pequenos íons de sal passem enquanto retém grandes íons e moléculas orgânicas.

A equipe demonstrou que suas membranas eram altamente seletivas ao filtrar pequenos íons de sal da água, e ao remover moléculas orgânicas e micropoluentes orgânicos para tratamento de água municipal. Dr. Song disse:"Essas membranas podem ser usadas em sistemas de nanofiltração de água e produzidas em uma escala muito maior para fornecer água potável em países em desenvolvimento."

Eles também são específicos o suficiente para filtrar os íons de lítio do magnésio na água salgada - uma técnica que poderia reduzir a necessidade de caro lítio extraído, que é a principal fonte de baterias de íon de lítio.

O Dr. Song disse:"Talvez agora possamos obter lítio sustentável de reservatórios de água do mar ou salmoura, em vez de minerar sob o solo, o que seria menos caro, mais ecologicamente correto, e ajudar no desenvolvimento de veículos elétricos e armazenamento de energia renovável em grande escala. "

Baterias

As baterias armazenam e convertem energia produzida por fontes renováveis, como eólica e solar, antes de a energia entrar na rede e alimentar as residências. A rede pode aproveitar essas baterias quando as fontes renováveis ​​estão acabando, como quando os painéis solares não estão coletando energia à noite.

As baterias de fluxo são adequadas para armazenamento de longo prazo em grande escala, mas as baterias de fluxo comerciais atuais usam sais de vanádio caros, ácido sulfúrico, e membranas de troca iônica Nafion, que são caros e limitam as aplicações em grande escala de baterias de fluxo.

Uma bateria de fluxo típica consiste em dois tanques de soluções eletrolíticas que são bombeadas através de uma membrana mantida entre dois eletrodos. O separador de membrana permite que íons carregadores de carga sejam transportados entre os tanques, evitando a mistura cruzada dos dois eletrólitos. A mistura cruzada de materiais pode levar à redução do desempenho da bateria.

Usando seus PIMs de nova geração, os pesquisadores projetaram mais barato, membranas facilmente processadas com poros bem definidos que permitem a passagem de íons específicos e impedem a entrada de outros. Eles demonstraram as aplicações de suas membranas em baterias de fluxo redox orgânicas usando espécies redox-ativas orgânicas de baixo custo, como quinonas e ferrocianeto de potássio. Suas membranas PIM mostraram maior seletividade molecular para ânions ferrocianetos, e, portanto, baixo 'crossover' de espécies redox na bateria, o que pode levar a uma vida útil mais longa da bateria.

Co-primeiro autor Rui Tan, um Ph.D. pesquisador do Departamento de Engenharia Química, disse:"Estamos investigando uma ampla gama de produtos químicos de bateria que podem ser aprimorados com nossa nova geração de membranas de transporte de íons, de baterias de íon de lítio de estado sólido a baterias de fluxo de baixo custo. "

Qual é o próximo?

Os princípios de design dessas membranas seletivas de íons são genéricos o suficiente para que possam ser estendidos a membranas para processos de separação industrial, separadores para as futuras gerações de baterias, como baterias de íon de sódio e potássio, e muitos outros dispositivos eletroquímicos para conversão e armazenamento de energia, incluindo células de combustível e reatores eletroquímicos.

Co-primeiro autor Anqi Wang, também um Ph.D. pesquisador do Departamento de Engenharia Química, disse:"A combinação de transporte iônico rápido e seletividade dessas novas membranas seletivas de íons os torna atraentes para uma ampla gama de aplicações industriais."

Próximo, os pesquisadores vão aumentar esse tipo de membrana para fazer membranas de filtração. Eles também analisarão a comercialização de seus produtos em colaboração com a indústria, e estão trabalhando com poder RFC, uma empresa spin-out flow-battery fundada pelo co-autor Imperial, Professor Nigel Brandon.