Geração de membranas usando polimerização eletroquímica, ou eletropolimerização, poderia fornecer uma rota simples e econômica para ajudar várias indústrias a atender às regulamentações ambientais cada vez mais rígidas e reduzir o consumo de energia.

Os pesquisadores da KAUST produziram membranas com poros microscópicos bem definidos, depositando eletroquimicamente polímeros orgânicos conjugados em eletrodos altamente porosos. Essas membranas microporosas têm inúmeras aplicações, variando de nanofiltração de solvente orgânico a tecnologias de transporte molecular seletivo.

A separação de alto desempenho depende de membranas que são robustas com estruturas microporosas bem ordenadas e densas, tais como zeólitas e estruturas orgânicas de metal. Ao contrário desses materiais de última geração, polímeros convencionais produzem membranas com os minúsculos poros desejados por meio de processos baratos e escaláveis, mas sua arquitetura amorfa e baixa porosidade os tornam menos eficazes.

Polímeros microporosos conjugados têm mostrado potencial para membranas à base de polímeros com desempenho aprimorado. Esses polímeros estáveis ​​em solventes formam redes reticuladas com tamanhos de poros uniformes e alta área de superfície quando criados por eletropolimerização, um método relativamente simples que depende de monômeros eletroativos. A desvantagem, Contudo, é que as membranas produzidas são muito frágeis para resistir às separações causadas pela pressão. A equipe KAUST, liderado por Zhiping Lai, procurou uma nova abordagem para fabricar uma membrana robusta.

Inspirando-se na seda de aranha, que obtém sua resistência e ductilidade excepcionais de sua estrutura de núcleo de pele, a equipe desenvolveu uma abordagem de eletropolimerização para cultivar o polímero conjugado policarbazol dentro da rede porosa de um eletrodo1. Eles dispersaram monômeros de carbazol eletroativos na solução eletrolítica de uma célula eletroquímica e oxidaram os monômeros sob tensão aplicada para revestir o eletrodo com o filme de polímero. O eletrodo era feito de nanoestruturas tubulares à base de carbono que serviam como uma estrutura robusta e porosa para a membrana.

A membrana mostrou transporte de solvente mais rápido do que a maioria dos sistemas existentes devido à sua alta área de superfície e alta afinidade para solventes orgânicos. Ele também separou as moléculas de corante dentro de uma estreita diferença de peso molecular. "Esta peneiração molecular estreita é atribuída ao tamanho uniforme dos poros, "diz o estudante de doutorado Zongyao Zhou.

Uma abordagem semelhante baseada na eletropolimerização - desta vez inspirada no papel protetor da pele humana - foi usada por outra equipe liderada por Lai para evitar a decomposição do cátodo em baterias de lítio-enxofre2. Ecologicamente correto e barato, essas baterias recarregáveis ​​têm potencial para armazenar mais energia do que suas contrapartes onipresentes de íons de lítio, o que poderia torná-los úteis para carros elétricos, drones e outros aparelhos eletrônicos portáteis. Contudo, seu cátodo de enxofre forma compostos chamados polissulfetos que se dissolvem prontamente no eletrólito durante a descarga. Esses compostos solúveis podem se deslocar entre o cátodo e o ânodo, causando perda de capacidade permanente e degradando o ânodo de metal de lítio.

Tentativas anteriores de evitar a dissolução do polissulfeto, como capturar e ancorar os compostos ao cátodo, tiveram sucesso limitado. "Pensamos que o cultivo de uma pele artificial para o cátodo de enxofre ajudaria a impedir o vazamento de polissulfeto do cátodo, "diz o estudante de doutorado Dong Guo.

Os pesquisadores sintetizaram outra membrana de policarbazol que se adapta à superfície do cátodo sob tensão aplicada. Esta nanoskin apresenta minúsculos poros uniformes que bloqueiam a difusão do polissulfeto, mas facilitam o transporte rápido de íons de lítio, o que aumenta a utilização de enxofre e a densidade de energia da bateria.

A equipe planeja avaliar o processo de eletropolimerização em outros sistemas de eletrodos. A nanoskin é uma promessa para baterias orgânicas, em que a dissolução de moléculas orgânicas redox ativas é bastante desafiadora, Lai diz.