Sigtning af ioner med en polymermembran

Ionsigtende polymermembraner kan udføres med udsøgt præcision ved at opnå hidtil uset kontrol over porestørrelse og ensartethed i membranerne, Det har KAUST-forskere vist.

Det biologiske nervesystem fungerer ved selektiv transport af elektrisk ladede partikler kaldet ioner gennem cellemembraner. Hvis fremstillede membraner var i stand til at opnå en lignende ionselektivitet, det kan transformere mange teknologier, herunder vandrensning, mineraludvinding og energilagring.

"Det er meget udfordrende at opnå præcis ionadskillelse på subnanometer-niveau ved hjælp af polymermembraner," siger kemiingeniør Zhiping Lai.

Ioner dannes, når atomer eller molekyler mister eller får elektroner, får derfor en positiv eller negativ elektrisk ladning. Dem der stammer fra enkelte atomer, såsom natrium (Na ⁺ ), lithium (Li ⁺ ) eller chlorid (Cl ^- ) ioner, er mindre end 1 nanometer (10 ^-9 meter) på tværs. Forskerne brugte de kendte størrelser af ioner til at udføre simuleringsundersøgelser, som hjalp med at identificere egnede monomerer, der kunne fungere som de molekylære enheder, der er nødvendige for at linke ind i en konjugeret mikroporøs polymer (CMP) membranstruktur.

De brugte derefter en proces kaldet elektropolymerisation til at lave deres polymermembraner. Denne proces bruger en cyklisk elektrisk strøm til at styre den præcise struktur, der dannes, når 1, 3, 5-tris(N-carbazolyl)benzenmonomermolekyler binder sammen.

"Det var udfordrende at bestemme den resulterende porestørrelse og niveau af porøsitet på grund af den asymmetriske membranstruktur, " siger Lai, tilføjer, "for at overvinde dette problem var vi nødt til at lave hundredvis af prøver."

Den lille størrelse og karakter af porerne forhindrede deres analyse i at bruge mange almindelige strukturelle bestemmelsesmetoder, men der blev fundet en løsning i gasfysysorption, som studerer et materiales interaktion med gasser.

I test med opløsninger indeholdende en række ioner, Membranerne viste sig at have en selektiv ionsigtningsydelse, der var bedre end næsten alle andre rapporterede membraner.

"Dette viser, at vores innovative polymermembraner har et stort potentiale i mange energi- og miljørelaterede ionseparationsprocesser, " siger Zongyao Zhou. At fjerne ioner fra havvand for at producere drikkevand er en oplagt mulighed. Genopladelige batterier og andre energilagringssystemer afhænger også af at kontrollere ionernes bevægelse.

Zhou siger, at det næste mål for holdet er at udforske potentialet af membranerne, der skal bruges i en række innovative kemiske sensorer. Mange kemikalier af miljømæssig eller medicinsk interesse består af ioner. Membraner, der selektivt tillader ioner af interesse at passere gennem membranerne, kunne bruges i en ny generation af mere præcis og fleksibel sensorteknologi.