Ny membranteknologi til at øge vandrensning og energilagring

Imperial College London forskere har skabt en ny type membran, der kan forbedre vandrensning og batterilagringsindsats.

Den nye tilgang til ionbytningsmembrandesign, som udgives i dag i Naturmaterialer , bruger billige plastmembraner med mange små hydrofile ('vandtrækkende') porer. De forbedrer den nuværende teknologi, der er dyrere og vanskeligere at anvende praktisk talt.

Nuværende ionbytningsmembraner, kendt som Nafion, bruges til at rense vand og lagre vedvarende energiproduktion i brændselsceller og batterier. Imidlertid, iontransportkanalerne i Nafion -membraner er ikke veldefinerede, og membranerne er meget dyre.

I modsætning, billige polymermembraner har været meget udbredt i membranindustrien i forskellige sammenhænge, fra fjernelse af salt og forurenende stoffer fra vand, til naturgasrensning - men disse membraner er normalt ikke ledende eller selektive nok til iontransport.

Nu, et multiinstitutionelt team ledet af Imperial's Dr. Qilei Song og professor Neil McKeown ved University of Edinburgh har udviklet en ny ion-transport membranteknologi, der kan reducere omkostningerne ved lagring af energi i batterier og rensning af vand.

De udviklede de nye membraner ved hjælp af computersimuleringer til at bygge en klasse af mikroporøse polymerer, kendt som polymerer af iboende mikroporositet (PIM'er), og ændre deres byggesten til forskellige ejendomme.

Deres opfindelse kan bidrage til brug og opbevaring af vedvarende energi, og øge tilgængeligheden af ​​rent drikkevand i udviklingslande.

Hovedforfatter Dr. Song, fra Imperials afdeling for kemiteknik, sagde:"Vores design hylder en ny generation af membraner til forskellige anvendelser - både forbedring af liv og øget opbevaring af vedvarende energi som sol- og vindkraft, som vil hjælpe med at bekæmpe klimaændringer. "

Fusilli rygrad

Polymererne er lavet af stive og snoede rygrad, som fusillipasta. De indeholder små porer kendt som 'mikroporer', der giver stive, ordnede kanaler, gennem hvilke molekyler og ioner rejser selektivt baseret på deres fysiske størrelser.

Polymererne er også opløselige i almindelige opløsningsmidler, så de kan støbes i supertynde film, hvilket yderligere fremskynder iontransport. Disse faktorer betyder, at de nye membraner kan bruges i en lang række separationsprocesser og elektrokemiske anordninger, der kræver hurtig og selektiv iontransport.

Vand

For at gøre PIM'er mere vandvenlige, teamet inkorporerede vandtiltrækkende funktionelle grupper, kendt som Tröger's base og amidoximgrupper, at lade små saltioner passere, mens store ioner og organiske molekyler bevares.

Teamet demonstrerede, at deres membraner var yderst selektive, når de filtrerede små saltioner fra vand, og ved fjernelse af organiske molekyler og organiske mikropollutanter til kommunal vandrensning. Dr. Song sagde:"Sådanne membraner kunne bruges i vand -nanofiltreringssystemer og produceres i meget større skala til at levere drikkevand i udviklingslande."

De er også specifikke nok til at filtrere lithiumioner fra magnesium i saltvand - en teknik, der kan reducere behovet for dyrt udvundet lithium, som er hovedkilden til litiumionbatterier.

Dr. Song sagde:"Måske kan vi nu få bæredygtigt lithium fra havvand eller saltlage reservoirer i stedet for minedrift under jorden, hvilket ville være billigere, mere miljøvenlig, og hjælpe udviklingen af ​​elektriske køretøjer og storstilet lagring af vedvarende energi. "

Batterier

Batterier lagrer og konverterer energi fra vedvarende kilder som vind og sol, før energien føder ind i nettet og driver hjem. Gitteret kan trykke på disse batterier, når vedvarende kilder løber tør for strøm, såsom når solpaneler ikke opsamler energi om natten.

Flowbatterier er velegnede til sådanne storskala langtidsopbevaring, men nuværende kommercielle strømbatterier bruger dyre vanadiumsalte, svovlsyre, og Nafion ionbytningsmembraner, som er dyre og begrænser de store anvendelser af flowbatterier.

Et typisk flowbatteri består af to tanke med elektrolytopløsninger, som pumpes forbi en membran, der holdes mellem to elektroder. Membranseparatoren tillader ladningsbærende ioner at transportere mellem tankene og forhindrer krydsblanding af de to elektrolytter. Krydsblanding af materialer kan føre til forringelse af batteriets ydeevne.

Ved hjælp af deres nye generations PIM'er, forskerne designet billigere, let forarbejdede membraner med veldefinerede porer, der slipper bestemte ioner igennem og holder andre ude. De demonstrerede anvendelsen af ​​deres membraner i organiske redox-strømbatterier ved hjælp af billige organiske redox-aktive arter, såsom quinoner og kaliumferrocyanid. Deres PIM -membraner viste højere molekylær selektivitet over for ferrocyanidanioner, og dermed lav 'crossover' af redoxarter i batteriet, hvilket kan føre til længere batterilevetid.

Medforfatter Rui Tan, en ph.d. forsker ved Institut for Kemiteknik, sagde:"Vi undersøger en lang række batterikemikalier, der kan forbedres med vores nye generation af iontransportmembraner, fra solid-state lithium-ion-batterier til billige flowbatterier. "

Hvad er det næste?

Designprincipperne for disse ion-selektive membraner er generiske nok til, at de kan udvides til membraner til industrielle separationsprocesser, separatorer til fremtidige generationer af batterier såsom natrium- og kaliumionbatterier, og mange andre elektrokemiske anordninger til energiomdannelse og lagring, herunder brændselsceller og elektrokemiske reaktorer.

Co-første forfatter Anqi Wang, også en ph.d. forsker ved Institut for Kemiteknik, sagde:"Kombinationen af ​​hurtig iontransport og selektivitet af denne nye ion-selektive membran gør dem attraktive for en lang række industrielle applikationer."

Næste, forskerne vil skalere denne type membran til fremstilling af filtreringsmembraner. De vil også undersøge kommercialisering af deres produkter i samarbejde med industrien, og arbejder med RFC -strøm, et spin-out flow-batteriselskab grundlagt af den kejserlige medforfatter professor Nigel Brandon.