Ionen zeven met een polymeermembraan

Ionenzevende polymeermembranen kunnen met voortreffelijke precisie presteren door ongekende controle te krijgen over de poriegrootte en uniformiteit binnen de membranen, hebben KAUST-onderzoekers aangetoond.

Het biologische zenuwstelsel werkt door selectief transport van elektrisch geladen deeltjes, ionen genaamd, door celmembranen. Als gefabriceerde membranen een vergelijkbare ionenselectiviteit zouden kunnen bereiken, zou het vele technologieën kunnen transformeren, waaronder waterzuivering, mineraalwinning en energieopslag.

“Het bereiken van nauwkeurige ionenscheiding op sub-nanometerniveau door polymeermembranen is een hele uitdaging”, zegt chemisch ingenieur Zhiping Lai.

Ionen worden gevormd wanneer atomen of moleculen elektronen verliezen of winnen, waardoor ze een positieve of negatieve elektrische lading krijgen. Die afgeleid van enkele atomen, zoals natrium (Na⁺), lithium (Li⁺) of chloride (Cl^–) ionen, zijn kleiner dan 1 nanometer (10^-9 meter) over. De onderzoekers gebruikten de bekende groottes van ionen om simulatiestudies uit te voeren, die hielpen bij het identificeren van geschikte monomeren die zouden kunnen fungeren als de moleculaire eenheden die nodig zijn om te koppelen aan een geconjugeerde microporeuze polymeer (CMP) membraanstructuur.

Vervolgens gebruikten ze een proces dat elektropolymerisatie wordt genoemd om hun polymeermembranen te maken. Dit proces maakt gebruik van een cyclische elektrische stroom om de precieze structuur te regelen die ontstaat wanneer de 1,3,5-tris(N-carbazolyl) benzeenmonomeermoleculen aan elkaar worden gekoppeld.

“Het was een uitdaging om de resulterende poriegrootte en het porositeitsniveau te bepalen vanwege de asymmetrische membraanstructuur”, zegt Lai, eraan toevoegend, “om dit probleem op te lossen, moesten we honderden monsters maken.”

De kleine omvang en aard van de poriën verhinderden dat bij hun analyse veel gebruikelijke structurele bepalingsmethoden werden gebruikt, maar een oplossing werd gevonden in gasfysisorptie, die de interactie van een materiaal met gassen bestudeert.

In tests met oplossingen die een reeks ionen bevatten, bleken de membranen een selectieve ionenzeefprestatie te hebben die superieur was aan bijna alle andere gerapporteerde membranen.

“Dit toont aan dat onze innovatieve polymeermembranen een groot potentieel hebben in veel energie- en milieugerelateerde ionenscheidingsprocessen”, zegt Zongyao Zhou. Het verwijderen van ionen uit zeewater om drinkbaar water te produceren is een voor de hand liggende mogelijkheid. Oplaadbare batterijen en andere energieopslagsystemen zijn ook afhankelijk van het regelen van de beweging van ionen.

Zhou zegt dat het volgende doel voor het team is om het potentieel te onderzoeken van de membranen die kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid aan innovatieve chemische sensoren. Veel chemicaliën van milieu- of medisch belang bestaan ​​uit ionen. Membranen die selectief interessante ionen door de membranen laten gaan, kunnen worden gebruikt in een nieuwe generatie nauwkeurigere en flexibelere sensortechnologie.