Ученые из Имперского колледжа Лондона создали новый тип мембран, который может улучшить очистку воды и аккумулирование энергии.
В новом подходе к дизайну ионообменных мембран, который был опубликован 2 декабря 2019 года в Nature Materials , используются недорогие пластиковые мембраны со множеством крошечных гидрофильных («влекущих воду») пор. Они улучшают текущие технологии, которые являются более дорогими и практически сложными в применении.
«Наш дизайн приветствует новое поколение мембран для разнообразного использования - как для улучшения жизни, так и для увеличения запаса возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, которые помогут бороться с изменением климата», - доктор Qilei Song
Современные ионообменные мембраны, известные как Nafion, используются для очистки воды и хранения возобновляемой энергии в топливных элементах и батареях. Однако каналы переноса ионов в мембранах Nafion недостаточно хорошо определены, и мембраны очень дороги.
Напротив, недорогие полимерные мембраны широко используются в мембранной промышленности в различных контекстах, от удаления соли и загрязняющих веществ из воды до очистки природного газа, но эти мембраны обычно недостаточно проводящие или селективные для переноса ионов.
Теперь многопрофильная команда под руководством доктора Империи д-ра Цилея Сонга и профессора Нила МакКауна в Эдинбургском университете разработала новую технологию ионно-транспортной мембраны, которая может снизить стоимость хранения энергии в батареях и очистки воды.
Они разработали новые мембраны на основе класса микропористых полимеров, известных как полимеры с собственной микропористостью (PIM), и изменили свои строительные блоки для изменения свойств с помощью компьютерного моделирования в сотрудничестве с доктором Империала Кимом Джелфсом.
Фузилли позвоночника
Их изобретение может способствовать использованию и хранению возобновляемой энергии и повысить доступность чистой питьевой воды в развивающихся странах.
Ведущий автор, д-р Сонг, из отдела химической инженерии Imperial, сказал: «Наш дизайн приветствует новое поколение мембран для самых разных применений - как для улучшения жизни, так и для улучшения хранения возобновляемой энергии, такой как солнечная и ветровая энергия, которая поможет бороться с изменение климата."
Полимеры сделаны из жестких и скрученных позвоночников, как макароны фузилли. Они содержат крошечные поры, известные как «микропоры», которые обеспечивают жесткие упорядоченные каналы, по которым молекулы и ионы избирательно перемещаются в зависимости от их физических размеров.
Полимеры также растворимы в обычных растворителях, поэтому их можно отливать в сверхтонкие пленки, что дополнительно ускоряет транспорт ионов. Эти факторы означают, что новые мембраны могут использоваться в широком диапазоне процессов разделения и электрохимических устройствах, которые требуют быстрого и селективного переноса ионов.
Фильтрация воды
Чтобы сделать PIM более дружественными по отношению к воде, команда включила привлекающие воду функциональные группы, известные как основные и амидоксимные группы Трегера, чтобы позволить небольшим ионам соли проходить, сохраняя при этом большие ионы и органические молекулы.
Команда продемонстрировала, что их мембраны были очень селективными при фильтрации небольших соленых ионов из воды, а также при удалении органических молекул и органических микрозагрязнителей для муниципальной очистки воды. Доктор Сонг сказал: «Такие мембраны могут использоваться в системах нанофильтрации воды и производиться в гораздо больших масштабах для обеспечения питьевой водой в развивающихся странах».
Они также достаточно специфичны для фильтрации ионов лития из магния в соленой воде - метод, который может уменьшить потребность в дорогостоящем добываемом литии, который является основным источником для литий-ионных батарей.
Д-р Сонг сказал: «Возможно, теперь мы можем получить устойчивый литий из морской воды или резервуаров с рассолом вместо добычи под землей, что будет дешевле, экологически безопаснее и поможет в разработке электромобилей и широкомасштабном хранении возобновляемой энергии. »
Улучшение батареи
Батареи хранят и преобразуют энергию, произведенную из возобновляемых источников, таких как ветер и солнечная энергия, до того, как энергия поступает в сеть и питает дома. Сетка может подключаться к этим батареям, когда возобновляемые источники разряжаются, например, когда солнечные панели не собирают энергию ночью.
Проточные батареи подходят для такого крупномасштабного длительного хранения, но в современных коммерческих проточных батареях используются дорогие соли ванадия, серная кислота и ионообменные мембраны Nafion, которые дороги и ограничивают крупномасштабное применение проточных батарей.
Типичная проточная батарея состоит из двух резервуаров с растворами электролитов, которые прокачиваются через мембрану, удерживаемую между двумя электродами. Мембранный сепаратор позволяет переносить заряженные ионы между резервуарами, предотвращая перекрестное смешивание двух электролитов. Перекрестное смешивание материалов может привести к снижению производительности батареи.
Используя свои PIM нового поколения, исследователи разработали более дешевые, легко обрабатываемые мембраны с четко определенными порами, которые пропускают определенные ионы и удерживают другие. Они продемонстрировали применение своих мембран в органических окислительно-восстановительных батареях с использованием недорогих органических окислительно-восстановительных веществ, таких как хиноны и ферроцианид калия.
Их мембраны PIM показали более высокую молекулярную селективность по отношению к ферроцианидным анионам и, следовательно, низкое «пересечение» окислительно-восстановительных соединений в батарее, что может привести к увеличению срока службы батареи.
Со-первый автор Руи Тан, доктор философии. Исследователь из Департамента химического машиностроения сказал: «Мы изучаем широкий спектр химического состава батарей, который можно улучшить с помощью нашего нового поколения ионно-транспортных мембран, от твердотельных литий-ионных батарей до недорогих проточных батарей. »
Что дальше?
Принципы конструирования этих ионоселективных мембран являются достаточно общими, чтобы их можно было распространить на мембраны для промышленных процессов разделения, сепараторы для будущих поколений батарей, таких как натриевые и калиево-ионные батареи, и многие другие электрохимические устройства для преобразования и хранения энергии, включая топливо. ячейки и электрохимические реакторы.
Со-первый автор Анки Ван, также доктор философии. Исследователь из отдела химической инженерии сказал: «Сочетание быстрого переноса ионов и селективности этих новых ионоселективных мембран делает их привлекательными для широкого спектра промышленных применений».
Затем исследователи будут расширять этот тип мембран для создания фильтрующих мембран. Они также будут заниматься коммерциализацией своих продуктов в сотрудничестве с промышленностью и работают с RFC power, компанией, производящей аккумуляторные батареи, основанной имперским соавтором профессором Найджелом Брэндоном.
Этот документ является результатом многоинституциональной работы с Эдинбургским университетом (профессор Нил МакКаун), с симуляцией и тестированием, выполненным командами на химическом факультете Империала (доктор Ким Джелфс), Ливерпульского университета (профессор Эндрю Купер), и Кембриджский университет (профессор Клэр Грей).
Эта работа была профинансирована Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), Европейским исследовательским советом, Центром передовых материалов для комплексных энергетических систем (CAM-IES) EPSRC и британским центром хранения энергии и центром CAM-IES, фондом Leverhulme, Королевским Общество, а также Институт молекулярной науки и техники (IMSE, Imperial).
