![KAUST-onderzoekers ontwikkelen eenvoudige en kosteneffectieve membranen door middel van elektropolymerisatie om de industrie te helpen voldoen aan milieuvoorschriften en het energieverbruik te verminderen. Krediet: KAUST; Anastasia Serin Zeeflessen nemen uit de natuur](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/60097a855a98f.jpg)
KAUST-onderzoekers ontwikkelen eenvoudige en kosteneffectieve membranen door middel van elektropolymerisatie om de industrie te helpen voldoen aan milieuvoorschriften en het energieverbruik te verminderen. Krediet: KAUST; Anastasia Serin
Het genereren van membranen met behulp van elektrochemische polymerisatie of elektropolymerisatie zou een eenvoudige en kosteneffectieve manier kunnen zijn om verschillende industrieën te helpen voldoen aan steeds strengere milieuregels en het energieverbruik te verminderen.
Onderzoekers van KAUST hebben membranen geproduceerd met goed gedefinieerde microscopisch kleine poriën door elektrochemische afzetting van organische geconjugeerde polymeren op zeer poreuze elektroden. Deze microporeuze membranen hebben tal van toepassingen, gaande van nanofiltratie met organische oplosmiddelen tot selectieve moleculaire transporttechnologieën.
Hoogwaardige scheiding is afhankelijk van membranen die robuust zijn met goed geordende en dichte microporeuze structuren, zoals zeolieten en metalen organische roosters. In tegenstelling tot deze ultramoderne materialen, produceren conventionele polymeren membranen met de gewenste kleine poriën via goedkope en schaalbare processen, maar hun amorfe architectuur en lage porositeit maken ze minder effectief.
Geconjugeerde microporeuze polymeren hebben potentieel getoond voor op polymeer gebaseerde membranen met verbeterde prestaties. Deze oplosmiddelstabiele polymeren vormen verknoopte netwerken met uniforme poriegroottes en een groot oppervlak wanneer ze worden gemaakt door elektropolymerisatie, een relatief eenvoudige methode die berust op elektroactieve monomeren. Het nadeel is echter dat de geproduceerde membranen te bros zijn om door druk aangedreven scheidingen te weerstaan. Het KAUST-team, geleid door Zhiping Lai, zocht een nieuwe benadering om een robuust membraan te vervaardigen.
Geïnspireerd door spinnenzijde, dat zijn uitzonderlijke sterkte en ductiliteit ontleent aan de huid-kernstructuur, ontwikkelde het team een elektropolymerisatiebenadering om het geconjugeerde polymeer polycarbazool te laten groeien in het poreuze netwerk van een elektrode1. Ze verspreidden elektroactieve carbazoolmonomeren in de elektrolytoplossing van een elektrochemische cel en oxideerden de monomeren onder aangelegde spanning om de elektrode te bedekken met de polymeerfilm. De elektrode was gemaakt van op koolstof gebaseerde buisvormige nanostructuren die dienden als een stevige en poreuze steiger voor het membraan.
Het membraan vertoonde een sneller transport van oplosmiddelen dan de meeste bestaande systemen vanwege het grote oppervlak en de hoge affiniteit voor organische oplosmiddelen. Het scheidde ook kleurstofmoleculen binnen een klein verschil in molecuulgewicht. “Deze smalle moleculaire zeven wordt toegeschreven aan de uniforme poriegrootte”, zegt Ph.D. student Zongyao Zhou.
Een soortgelijke op elektropolymerisatie gebaseerde benadering – dit keer geïnspireerd door de beschermende rol van de menselijke huid – werd gebruikt door een ander door Lai geleid team om kathode-ontleding in lithium-zwavelbatterijen te voorkomen2. Deze oplaadbare batterijen zijn milieuvriendelijk en goedkoop en hebben het potentieel om meer energie op te slaan dan hun alomtegenwoordige lithium-ion-tegenhangers, waardoor ze nuttig kunnen zijn voor elektrische auto’s, drones en andere draagbare elektronica. Hun zwavelkathode vormt echter verbindingen die polysulfiden worden genoemd en die tijdens ontlading gemakkelijk in de elektrolyt oplossen. Deze oplosbare verbindingen kunnen pendelen tussen de kathode en de anode, waardoor permanent capaciteitsverlies ontstaat en de lithiummetaalanode wordt aangetast.
![De membranen werden geproduceerd met goed gedefinieerde microscopisch kleine poriën door elektrochemische afzetting van organische geconjugeerde polymeren op zeer poreuze elektroden. Krediet: KAUST; Anastasia Serin Zeeflessen nemen uit de natuur](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/60097a91c6638.jpg)
De membranen werden geproduceerd met goed gedefinieerde microscopisch kleine poriën door elektrochemische afzetting van organische geconjugeerde polymeren op zeer poreuze elektroden. Krediet: KAUST; Anastasia Serin
Eerdere pogingen om het oplossen van het polysulfide te voorkomen, zoals het vangen en verankeren van de verbindingen aan de kathode, hebben beperkt succes gehad. “We dachten dat het kweken van een kunstmatige huid voor de zwavelkathode zou helpen om lekkage van polysulfide uit de kathode te stoppen”, zegt Ph.D. student Dong Guo.
De onderzoekers synthetiseerden een ander polycarbazoolmembraan dat zich onder aangelegde spanning aanpast aan het kathodeoppervlak. Deze nanoskin heeft kleine uniforme poriën die polysulfidediffusie blokkeren, maar een snel transport van lithiumionen vergemakkelijken, wat het zwavelgebruik en de energiedichtheid van de batterij verbetert.
Het team is van plan om het elektropolymerisatieproces in andere elektrodesystemen te evalueren. De nanoskin is veelbelovend voor organische batterijen, waarin het oplossen van redox-actieve organische moleculen nogal uitdagend is, zegt Lai.
Dong Guo et al. Geëlektropolymeriseerde geconjugeerde microporeuze Nanoskin-regulerende polysulfide en elektrolyt voor high-energy Li-S-batterijen, ACS Nano (2020). DOI: 10.1021 / acsnano.0c06944
ACS Nano
Geleverd door King Abdullah University of Science and Technology