Forskare från Imperial College London har skapat en ny typ av membran som kan förbättra vattenrening och lagring av batterienergi.

Det nya tillvägagångssättet för design av jonbytesmembran, som publiceras idag i Naturmaterial , använder billiga plastmembran med många små hydrofila ('vatten lockande') porer. De förbättrar dagens teknik som är dyrare och svårare att applicera praktiskt.

Nuvarande jonbytarmembran, känd som Nafion, används för att rena vatten och lagra förnybar energiproduktion i bränsleceller och batterier. Dock, jontransportkanalerna i Nafion-membran är inte väldefinierade och membranen är mycket dyra.

I kontrast, billiga polymermembran har använts i stor utsträckning inom membranindustrin i olika sammanhang, från avlägsnande av salt och föroreningar från vatten, till naturgasrening - men dessa membran är vanligtvis inte tillräckligt ledande eller selektiva för jontransport.

Nu, ett multiinstitutionellt team som leds av Imperials Dr Qilei Song och professor Neil McKeown vid University of Edinburgh har utvecklat en ny jontransportmembransteknik som kan minska kostnaderna för lagring av energi i batterier och för att rena vatten.

De utvecklade de nya membranen med hjälp av datasimuleringar för att bygga en klass av mikroporösa polymerer, känd som polymerer av inneboende mikroporositet (PIM), och ändra sina byggstenar för olika egenskaper.

Deras uppfinning kan bidra till användning och lagring av förnybar energi, och öka tillgängligheten av rent dricksvatten i utvecklingsländer.

Huvudförfattare Dr. Song, vid Imperials avdelning för kemiteknik, sa:"Vår design hyllar en ny generation av membran för en mängd olika användningsområden - både för att förbättra livet och öka lagringen av förnybar energi som sol- och vindkraft, som kommer att hjälpa till att bekämpa klimatförändringarna."

Fusilli ryggrad

Polymererna är gjorda av styva och vridna ryggrader, som fusillipasta. De innehåller små porer som kallas 'mikroporer' som ger styva, ordnade kanaler genom vilka molekyler och joner reser selektivt baserat på deras fysiska storlekar.

Polymererna är också lösliga i vanliga lösningsmedel så att de kan gjutas till supertunna filmer, vilket ytterligare påskyndar jontransporten. Dessa faktorer innebär att de nya membranen kan användas i ett brett utbud av separationsprocesser och elektrokemiska anordningar som kräver snabb och selektiv jontransport.

Vatten

För att göra PIM mer vattenvänliga, teamet inkorporerade vattenattraherande funktionella grupper, känd som Trögers bas- och amidoximgrupper, för att låta små saltjoner passera samtidigt som stora joner och organiska molekyler kvarhålls.

Teamet visade att deras membran var mycket selektiva när de filtrerade små saltjoner från vatten, och vid avlägsnande av organiska molekyler och organiska mikroföroreningar för kommunal vattenrening. Dr Song sa:"Sådana membran kan användas i vattennanofiltreringssystem och produceras i mycket större skala för att tillhandahålla dricksvatten i utvecklingsländer."

De är också tillräckligt specifika för att filtrera bort litiumjoner från magnesium i saltvatten - en teknik som kan minska behovet av dyrt utvunnet litium, som är den viktigaste källan för litiumjonbatterier.

Dr. Song sa:"Kanske nu kan vi få hållbart litium från havsvatten eller saltvattenreservoarer istället för att bryta under marken, som skulle vara billigare, mer miljövänlig, och hjälpa utvecklingen av elfordon och storskalig förnybar energilagring. "

Batterier

Batterier lagrar och omvandlar energi från förnybara källor som vind och sol, innan energin matar in i nätet och driver hem. Nätet kan utnyttja dessa batterier när förnybara källor tar slut, som när solpaneler inte samlar energi på natten.

Flödesbatterier är lämpliga för sådan storskalig långtidslagring, men nuvarande kommersiella flödesbatterier använder dyra vanadinsalter, svavelsyra, och Nafion jonbytesmembran, som är dyra och begränsar de storskaliga tillämpningarna av flödesbatterier.

Ett typiskt flödesbatteri består av två tankar med elektrolytlösningar som pumpas förbi ett membran som hålls mellan två elektroder. Membranseparatorn tillåter laddningsförande joner att transportera mellan tankarna samtidigt som de förhindrar korsblandning av de två elektrolyterna. Korsblandning av material kan leda till att batteriets prestanda försämras.

Genom att använda deras nya generationens PIM, forskarna designade billigare, lättbearbetade membran med väldefinierade porer som släpper igenom specifika joner och håller andra utanför. De demonstrerade användningen av sina membran i organiska redoxflödesbatterier med hjälp av billiga organiska redoxaktiva arter som kinoner och kaliumferrocyanid. Deras PIM-membran visade högre molekylär selektivitet mot ferrocyanidanjoner, och därmed låg 'crossover' av redoxarter i batteriet, vilket kan leda till längre livslängd på batteriet.

Medförfattare Rui Tan, en doktorsexamen forskare vid Institutionen för kemiteknik, sa:"Vi tittar på ett brett utbud av batterikemi som kan förbättras med vår nya generation av jontransportmembran, från solid-state litiumjonbatterier till lågprisflödesbatterier."

Vad kommer härnäst?

Designprinciperna för dessa jonselektiva membran är generiska nog att de kan utvidgas till membran för industriella separationsprocesser, separatorer för framtida generationer av batterier som natrium- och kaliumjonbatterier, och många andra elektrokemiska anordningar för energiomvandling och lagring inklusive bränsleceller och elektrokemiska reaktorer.

Medförsta författaren Anqi Wang, också en Ph.D. forskare vid Institutionen för kemiteknik, sa:"Kombinationen av snabb jontransport och selektivitet hos dessa nya jonselektiva membran gör dem attraktiva för ett brett spektrum av industriella tillämpningar."

Nästa, forskarna kommer att skala upp den här typen av membran för att göra filtreringsmembran. De kommer också att undersöka kommersialisering av sina produkter i samarbete med industrin, och arbetar med RFC-ström, ett spin-out-flödesbatteriföretag grundat av den kejserliga medförfattaren professor Nigel Brandon.