Gli scienziati dell'Imperial College di Londra hanno creato un nuovo tipo di membrana che potrebbe migliorare la purificazione dell'acqua e l'accumulo di energia nelle batterie.

Il nuovo approccio alla progettazione delle membrane a scambio ionico, che viene pubblicato oggi in Materiali della natura , utilizza membrane di plastica a basso costo con molti piccoli pori idrofili ("che attirano l'acqua"). Migliorano la tecnologia attuale che è più costosa e difficile da applicare praticamente.

Membrane a scambio ionico correnti, conosciuto come Nafion, sono utilizzati per purificare l'acqua e immagazzinare l'energia rinnovabile prodotta in celle a combustibile e batterie. Però, i canali di trasporto ionico nelle membrane di Nafion non sono ben definiti e le membrane sono molto costose.

In contrasto, le membrane polimeriche a basso costo sono state ampiamente utilizzate nell'industria delle membrane in vari contesti, dalla rimozione di sale e sostanze inquinanti dall'acqua, alla purificazione del gas naturale, ma queste membrane di solito non sono conduttive o sufficientemente selettive per il trasporto ionico.

Ora, un team multi-istituzionale guidato dal dott. Qilei Song dell'Imperial e dal professor Neil McKeown dell'Università di Edimburgo ha sviluppato una nuova tecnologia a membrana di trasporto ionico che potrebbe ridurre il costo dell'immagazzinamento dell'energia nelle batterie e della purificazione dell'acqua.

Hanno sviluppato le nuove membrane utilizzando simulazioni al computer per costruire una classe di polimeri microporosi, noti come polimeri a microporosità intrinseca (PIM), e alterare i loro elementi costitutivi per proprietà variabili.

La loro invenzione potrebbe contribuire all'uso e allo stoccaggio di energia rinnovabile, e aumentare la disponibilità di acqua potabile pulita nei paesi in via di sviluppo.

L'autore principale Dr. Song, del Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Imperial, ha dichiarato:"Il nostro progetto saluta una nuova generazione di membrane per una varietà di usi, sia per migliorare la vita che aumentare lo stoccaggio di energia rinnovabile come l'energia solare ed eolica, che aiuterà a combattere il cambiamento climatico».

Fusilli dorsali

I polimeri sono costituiti da spine dorsali rigide e attorcigliate, come i fusilli. Contengono minuscoli pori noti come "micropori" che forniscono rigidità, canali ordinati attraverso i quali le molecole e gli ioni viaggiano selettivamente in base alle loro dimensioni fisiche.

I polimeri sono anche solubili nei comuni solventi, quindi possono essere colati in film supersottili, che accelera ulteriormente il trasporto di ioni. Questi fattori significano che le nuove membrane potrebbero essere utilizzate in un'ampia gamma di processi di separazione e dispositivi elettrochimici che richiedono un trasporto ionico rapido e selettivo.

Acqua

Per rendere i PIM più rispettosi dell'acqua, il team ha incorporato gruppi funzionali che attirano l'acqua, noti come gruppi base e amidossima di Tröger, per consentire il passaggio di piccoli ioni di sale trattenendo ioni grandi e molecole organiche.

Il team ha dimostrato che le loro membrane erano altamente selettive quando filtravano piccoli ioni di sale dall'acqua, e durante la rimozione di molecole organiche e microinquinanti organici per il trattamento delle acque municipali. Il dottor Song ha affermato:"Tali membrane potrebbero essere utilizzate nei sistemi di nanofiltrazione dell'acqua e prodotte su scala molto più ampia per fornire acqua potabile nei paesi in via di sviluppo".

Sono anche abbastanza specifici da filtrare gli ioni di litio dal magnesio nell'acqua salata, una tecnica che potrebbe ridurre la necessità di costoso litio estratto, che è la principale fonte di batterie agli ioni di litio.

Il Dr. Song ha detto:"Forse ora possiamo ottenere litio sostenibile dall'acqua di mare o dai serbatoi di salamoia invece di estrarre sotto terra, che sarebbe meno costoso, più rispettoso dell'ambiente, e aiutare lo sviluppo di veicoli elettrici e lo stoccaggio di energia rinnovabile su larga scala".

batterie

Le batterie immagazzinano e convertono l'energia prodotta da fonti rinnovabili come eolica e solare, prima che l'energia si immetta nella rete e dia energia alle case. La rete può attingere a queste batterie quando le fonti rinnovabili si esauriscono, come quando i pannelli solari non raccolgono energia di notte.

Le batterie a flusso sono adatte per lo stoccaggio a lungo termine su larga scala, ma le attuali batterie a flusso commerciali utilizzano costosi sali di vanadio, acido solforico, e membrane a scambio ionico Nafion, che sono costosi e limitano le applicazioni su larga scala delle batterie a flusso.

Una tipica batteria a flusso è costituita da due serbatoi di soluzioni elettrolitiche che vengono pompate lungo una membrana tenuta tra due elettrodi. Il separatore a membrana consente il trasporto di ioni portatori di carica tra i serbatoi, impedendo la miscelazione incrociata dei due elettroliti. La miscelazione incrociata dei materiali può portare a un decadimento delle prestazioni della batteria.

Utilizzando i loro PIM di nuova generazione, i ricercatori hanno progettato più economico, membrane facilmente lavorabili con pori ben definiti che lasciano passare ioni specifici e ne tengono fuori gli altri. Hanno dimostrato le applicazioni delle loro membrane nelle batterie a flusso redox organico utilizzando specie organiche redox attive a basso costo come chinoni e ferrocianuro di potassio. Le loro membrane PIM hanno mostrato una maggiore selettività molecolare verso gli anioni di ferrocianuro, e quindi basso 'crossover' di specie redox nella batteria, che potrebbe portare a una maggiore durata della batteria.

Co-autore Rui Tan, un dottorato di ricerca ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, ha dichiarato:"Stiamo esaminando un'ampia gamma di prodotti chimici delle batterie che possono essere migliorati con la nostra nuova generazione di membrane di trasporto ionico, dalle batterie agli ioni di litio allo stato solido alle batterie di flusso a basso costo."

Qual è il prossimo?

I principi di progettazione di queste membrane iono-selettive sono abbastanza generici da poter essere estesi alle membrane per processi di separazione industriale, separatori per le future generazioni di batterie come batterie agli ioni di sodio e potassio, e molti altri dispositivi elettrochimici per la conversione e lo stoccaggio dell'energia, comprese celle a combustibile e reattori elettrochimici.

Il primo autore Anqi Wang, anche un dottorato di ricerca ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, ha dichiarato:"La combinazione di trasporto ionico veloce e selettività di queste nuove membrane iono-selettive le rende interessanti per un'ampia gamma di applicazioni industriali".

Prossimo, i ricercatori amplieranno questo tipo di membrana per realizzare membrane di filtrazione. Studieranno anche la commercializzazione dei loro prodotti in collaborazione con l'industria, e stanno lavorando con alimentazione RFC, una società spin-out di batterie a flusso fondata dal co-autore di Imperial, il professor Nigel Brandon.