At tage sigtelektioner fra naturen

Generering af membraner ved hjælp af elektrokemisk polymerisation, eller elektropolymerisation, kunne give en enkel og omkostningseffektiv vej til at hjælpe forskellige industrier med at opfylde stadig strengere miljøbestemmelser og reducere energiforbruget.

Forskere fra KAUST har fremstillet membraner med veldefinerede mikroskopiske porer ved elektrokemisk at afsætte organiske konjugerede polymerer på meget porøse elektroder. Disse mikroporøse membraner har adskillige anvendelser, lige fra organisk opløsningsmiddel nanofiltrering til selektive molekylære transportteknologier.

Højtydende adskillelse afhænger af membraner, der er robuste med velordnede og tætte mikroporøse strukturer, såsom zeolitter og metalorganiske rammer. I modsætning til disse state-of-the-art materialer, konventionelle polymerer producerer membraner med de ønskede bittesmå porer gennem billige og skalerbare processer, men deres amorfe arkitektur og lave porøsitet gør dem mindre effektive.

Konjugerede mikroporøse polymerer har vist potentiale for polymerbaserede membraner med forbedret ydeevne. Disse opløsningsmiddelstabile polymerer danner tværbundne netværk med ensartede porestørrelser og højt overfladeareal, når de dannes ved elektropolymerisation, en relativt simpel metode, der er afhængig af elektroaktive monomerer. Ulempen, imidlertid, er, at de producerede membraner er for skrøbelige til at modstå trykdrevne adskillelser. KAUST holdet, ledet af Zhiping Lai, søgte en ny tilgang til fremstilling af en robust membran.

Med inspiration fra edderkoppesilke, som får sin enestående styrke og duktilitet fra sin hudkernestruktur, holdet udviklede en elektropolymeriseringstilgang til at dyrke den konjugerede polymer polycarbazol inde i det porøse netværk af en elektrode1. De dispergerede elektroaktive carbazolmonomerer i elektrolytopløsningen af ​​en elektrokemisk celle og oxiderede monomererne under påført spænding for at belægge elektroden med polymerfilmen. Elektroden var lavet af kulstofbaserede rørformede nanostrukturer, der fungerede som et robust og porøst stillads til membranen.

Membranen viste hurtigere opløsningsmiddeltransport end de fleste eksisterende systemer på grund af dens høje overfladeareal og høje affinitet til organiske opløsningsmidler. Det adskilte også farvestofmolekyler inden for en snæver molekylvægtforskel. "Denne smalle molekylære sigtning tilskrives den ensartede porestørrelse, " siger Ph.D.-studerende Zongyao Zhou.

En lignende elektropolymerisationsbaseret tilgang - denne gang inspireret af den beskyttende rolle af menneskelig hud - blev brugt af et andet Lai-ledet team for at forhindre katode-nedbrydning i lithium-svovl-batterier2. Miljøvenlig og billig, disse genopladelige batterier har potentiale til at lagre mere energi end deres allestedsnærværende lithium-ion-modstykker, som kunne gøre dem nyttige til elbiler, droner og anden bærbar elektronik. Imidlertid, deres svovlkatode danner forbindelser kaldet polysulfider, der let opløses i elektrolytten under afladning. Disse opløselige forbindelser kan bevæge sig mellem katoden og anoden, forårsager permanent kapacitetstab og nedbrydning af lithiummetalanoden.

Tidligere forsøg på at forhindre opløsning af polysulfidet, såsom at fange og forankre forbindelserne til katoden, har haft begrænset succes. "Vi troede, at dyrkning af en kunstig hud til svovlkatoden ville hjælpe med at stoppe polysulfidlækage fra katoden, " siger ph.d.-studerende Dong Guo.

Forskerne syntetiserede en anden polycarbazolmembran, der passer til katodeoverfladen under påført spænding. Dette nanoskind har små ensartede porer, der blokerer polysulfiddiffusion, men letter hurtig lithiumiontransport, hvilket øger batteriets svovludnyttelse og energitæthed.

Holdet planlægger at evaluere elektropolymeriseringsprocessen i andre elektrodesystemer. Nanoskindet lover organiske batterier, hvor opløsningen af ​​redoxaktive organiske molekyler er ret udfordrende, siger Lai.