Generera membran med elektrokemisk polymerisation, eller elektropolymerisation, skulle kunna erbjuda en enkel och kostnadseffektiv väg för att hjälpa olika industrier att möta allt strängare miljöbestämmelser och minska energiförbrukningen.

Forskare från KAUST har producerat membran med väldefinierade mikroskopiska porer genom att elektrokemiskt deponera organiska konjugerade polymerer på mycket porösa elektroder. Dessa mikroporösa membran har många tillämpningar, allt från nanofiltrering av organiskt lösningsmedel till selektiv molekylär transportteknik.

Högpresterande separation beror på membran som är robusta med välordnade och täta mikroporösa strukturer, såsom zeoliter och metallorganiska ramverk. Till skillnad från dessa toppmoderna material, konventionella polymerer producerar membran med de önskade små porerna genom billiga och skalbara processer, men deras amorfa arkitektur och låga porositet gör dem mindre effektiva.

Konjugerade mikroporösa polymerer har visat potential för polymerbaserade membran med förbättrad prestanda. Dessa lösningsmedelsstabila polymerer bildar tvärbundna nätverk med enhetliga porstorlekar och hög ytarea när de skapas genom elektropolymerisation, en relativt enkel metod som bygger på elektroaktiva monomerer. Nackdelen, dock, är att de producerade membranen är för spröda för att motstå tryckdrivna separationer. KAUST-teamet, ledd av Zhiping Lai, sökte ett nytt tillvägagångssätt för att tillverka ett robust membran.

Med inspiration från spindelsilke, som får sin exceptionella styrka och duktilitet från sin hudkärnastruktur, teamet utvecklade en elektropolymerisationsmetod för att odla den konjugerade polymeren polykarbazol inuti det porösa nätverket av en elektrod1. De dispergerade elektroaktiva karbazolmonomerer i elektrolytlösningen av en elektrokemisk cell och oxiderade monomererna under applicerad spänning för att belägga elektroden med polymerfilmen. Elektroden var gjord av kolbaserade rörformiga nanostrukturer som fungerade som en robust och porös ställning för membranet.

Membranet visade snabbare lösningsmedelstransport än de flesta befintliga system på grund av dess höga yta och höga affinitet för organiska lösningsmedel. Det separerade också färgämnesmolekyler inom en liten molekylviktsskillnad. "Denna smala molekylära siktning tillskrivs den enhetliga porstorleken, " säger doktoranden Zongyao Zhou.

En liknande elektropolymerisationsbaserad metod – den här gången inspirerad av mänsklig huds skyddande roll – användes av ett annat Lai-ledd team för att förhindra katodnedbrytning i litium-svavelbatterier2. Miljövänligt och billigt, dessa laddningsbara batterier har potential att lagra mer energi än deras allestädes närvarande litiumjonmotsvarigheter, vilket skulle kunna göra dem användbara för elbilar, drönare och annan bärbar elektronik. Dock, deras svavelkatod bildar föreningar som kallas polysulfider som lätt löses upp i elektrolyten under urladdning. Dessa lösliga föreningar kan pendla mellan katoden och anoden, orsakar permanent kapacitetsförlust och försämrar litiummetallanoden.

Tidigare försök att förhindra upplösningen av polysulfiden, såsom att fånga och förankra föreningarna till katoden, har haft begränsad framgång. "Vi trodde att odling av ett konstgjort skinn för svavelkatoden skulle hjälpa till att stoppa polysulfidläckage från katoden, säger doktoranden Dong Guo.

Forskarna syntetiserade ett annat polykarbazolmembran som överensstämmer med katodytan under applicerad spänning. Detta nanoskinn har små enhetliga porer som blockerar polysulfiddiffusion men underlättar snabb litiumjontransport, vilket förbättrar svavelutnyttjandet och energitätheten hos batteriet.

Teamet planerar att utvärdera elektropolymerisationsprocessen i andra elektrodsystem. Nanoskinnet lovar ekologiska batterier, där upplösningen av redoxaktiva organiska molekyler är ganska utmanande, säger Lai.