Generazione di membrane mediante polimerizzazione elettrochimica, o elettropolimerizzazione, potrebbe fornire un percorso semplice ed economico per aiutare varie industrie a soddisfare normative ambientali sempre più severe e ridurre il consumo di energia.

I ricercatori di KAUST hanno prodotto membrane con pori microscopici ben definiti depositando elettrochimicamente polimeri organici coniugati su elettrodi altamente porosi. Queste membrane microporose hanno numerose applicazioni, che vanno dalla nanofiltrazione di solventi organici alle tecnologie di trasporto molecolare selettivo.

La separazione ad alte prestazioni dipende da membrane robuste con strutture microporose ben ordinate e dense, come zeoliti e strutture metalliche organiche. A differenza di questi materiali all'avanguardia, i polimeri convenzionali producono membrane con i minuscoli pori desiderati attraverso processi economici e scalabili, ma la loro architettura amorfa e la bassa porosità li rendono meno efficaci.

I polimeri microporosi coniugati hanno mostrato il potenziale per membrane a base di polimeri con prestazioni migliorate. Questi polimeri stabili ai solventi formano reti reticolate con dimensioni dei pori uniformi e un'elevata area superficiale quando vengono creati mediante elettropolimerizzazione, un metodo relativamente semplice che si basa su monomeri elettroattivi. Lo svantaggio, però, è che le membrane prodotte sono troppo fragili per resistere alle separazioni dovute alla pressione. Il team KAUST, guidato da Zhiping Lai, ha cercato un nuovo approccio per produrre una membrana robusta.

Prendendo ispirazione dalla seta di ragno, che trae la sua eccezionale forza e duttilità dalla sua struttura pelle-nucleo, il team ha sviluppato un approccio di elettropolimerizzazione per far crescere il policarbazolo polimero coniugato all'interno della rete porosa di un elettrodo1. Hanno disperso i monomeri di carbazolo elettroattivi nella soluzione elettrolitica di una cella elettrochimica e hanno ossidato i monomeri sotto tensione applicata per rivestire l'elettrodo con la pellicola polimerica. L'elettrodo era costituito da nanostrutture tubolari a base di carbonio che fungevano da impalcatura robusta e porosa per la membrana.

La membrana ha mostrato un trasporto del solvente più veloce rispetto alla maggior parte dei sistemi esistenti a causa della sua elevata area superficiale e dell'elevata affinità per i solventi organici. Ha anche separato le molecole di colorante all'interno di una stretta differenza di peso molecolare. "Questo stretto setaccio molecolare è attribuito alla dimensione uniforme dei pori, " dice il dottorando Zongyao Zhou.

Un simile approccio basato sull'elettropolimerizzazione, questa volta ispirato al ruolo protettivo della pelle umana, è stato utilizzato da un altro team guidato da Lai per prevenire la decomposizione del catodo nelle batterie litio-zolfo2. Ecologico ed economico, queste batterie ricaricabili hanno il potenziale per immagazzinare più energia rispetto alle loro onnipresenti controparti agli ioni di litio, che potrebbero renderli utili per le auto elettriche, droni e altri dispositivi elettronici portatili. Però, il loro catodo di zolfo forma composti chiamati polisolfuri che si dissolvono facilmente nell'elettrolita durante la scarica. Questi composti solubili possono fare la spola tra il catodo e l'anodo, causando una perdita permanente di capacità e degradando l'anodo di litio metallico.

Precedenti tentativi di impedire la dissoluzione del polisolfuro, come catturare e ancorare i composti al catodo, hanno avuto un successo limitato. "Pensavamo che coltivare una pelle artificiale per il catodo di zolfo avrebbe aiutato a fermare la fuoriuscita di polisolfuro dal catodo, " dice il dottorando Dong Guo.

I ricercatori hanno sintetizzato un'altra membrana di policarbazolo che si conforma alla superficie del catodo sotto tensione applicata. Questa nanopelle presenta minuscoli pori uniformi che bloccano la diffusione del polisolfuro ma facilitano il trasporto rapido degli ioni di litio, che migliora l'utilizzo dello zolfo e la densità energetica della batteria.

Il team prevede di valutare il processo di elettropolimerizzazione in altri sistemi di elettrodi. La nanopelle è promettente per le batterie organiche, in cui la dissoluzione di molecole organiche redox-attive è piuttosto impegnativa, dice Lai.