Los científicos del Imperial College de Londres han creado un nuevo tipo de membrana que podría mejorar la purificación del agua y los esfuerzos de almacenamiento de energía de la batería.

El nuevo enfoque para el diseño de membranas de intercambio iónico, que se publica hoy en Materiales de la naturaleza , utiliza membranas de plástico de bajo costo con muchos poros hidrófilos diminutos (que atraen el agua). Mejoran la tecnología actual que es más cara y difícil de aplicar en la práctica.

Membranas de intercambio iónico actuales, conocido como Nafion, se utilizan para purificar agua y almacenar energía renovable en pilas de combustible y baterías. Sin embargo, los canales de transporte de iones en las membranas de Nafion no están bien definidos y las membranas son muy caras.

A diferencia de, Las membranas de polímero de bajo costo se han utilizado ampliamente en la industria de las membranas en varios contextos, de la eliminación de sal y contaminantes del agua, a la purificación de gas natural, pero estas membranas generalmente no son lo suficientemente conductoras o selectivas para el transporte de iones.

Ahora, un equipo multiinstitucional dirigido por el Dr. Qilei Song de Imperial y el profesor Neil McKeown de la Universidad de Edimburgo ha desarrollado una nueva tecnología de membrana de transporte de iones que podría reducir el costo de almacenamiento de energía en baterías y de purificación de agua.

Desarrollaron las nuevas membranas usando simulaciones por computadora para construir una clase de polímeros microporosos, conocidos como polímeros de microporosidad intrínseca (PIM), y alterar sus bloques de construcción para diferentes propiedades.

Su invención podría contribuir al uso y almacenamiento de energía renovable, e impulsar la disponibilidad de agua potable en los países en desarrollo.

El autor principal, el Dr. Song, del Departamento de Ingeniería Química de Imperial, dijo:"Nuestro diseño aclama una nueva generación de membranas para una variedad de usos, tanto para mejorar la vida útil como para impulsar el almacenamiento de energía renovable, como la energía solar y eólica, lo que ayudará a combatir el cambio climático ".

Espina dorsal fusilli

Los polímeros están hechos de columnas vertebrales rígidas y retorcidas, como pasta fusilli. Contienen poros diminutos conocidos como 'microporos' que proporcionan canales ordenados a través de los cuales las moléculas y los iones viajan de forma selectiva en función de sus tamaños físicos.

Los polímeros también son solubles en disolventes comunes, por lo que se pueden moldear en películas superfinas. lo que acelera aún más el transporte de iones. Estos factores significan que las nuevas membranas podrían usarse en una amplia gama de procesos de separación y dispositivos electroquímicos que requieren un transporte de iones rápido y selectivo.

Agua

Para hacer que los PIM sean más amigables con el agua, el equipo incorporó grupos funcionales que atraen agua, conocidos como grupos base y amidoxima de Tröger, para permitir el paso de pequeños iones de sal mientras retiene grandes iones y moléculas orgánicas.

El equipo demostró que sus membranas eran altamente selectivas al filtrar pequeños iones de sal del agua, y en la eliminación de moléculas orgánicas y microcontaminantes orgánicos para el tratamiento de aguas municipales. El Dr. Song dijo:"Estas membranas podrían usarse en sistemas de nanofiltración de agua y producirse a una escala mucho mayor para proporcionar agua potable en los países en desarrollo".

También son lo suficientemente específicos para filtrar los iones de litio del magnesio en agua salada, una técnica que podría reducir la necesidad de litio extraído costoso. que es la principal fuente de baterías de iones de litio.

El Dr. Song dijo:"Quizás ahora podamos obtener litio sostenible a partir de agua de mar o reservorios de salmuera en lugar de extraerlo bajo tierra, que sería menos costoso, más respetuoso con el medio ambiente, y ayudar al desarrollo de vehículos eléctricos y almacenamiento de energía renovable a gran escala ".

Pilas

Las baterías almacenan y convierten la energía procedente de fuentes renovables como la eólica y la solar, antes de que la energía se alimente a la red y alimente los hogares. La red puede aprovechar estas baterías cuando las fuentes renovables se agotan, como cuando los paneles solares no recolectan energía por la noche.

Las baterías de flujo son adecuadas para este tipo de almacenamiento a largo plazo a gran escala, pero las baterías de flujo comerciales actuales utilizan sales de vanadio costosas. ácido sulfúrico, y membranas de intercambio iónico Nafion, que son caras y limitan las aplicaciones a gran escala de las baterías de flujo.

Una batería de flujo típica consta de dos tanques de soluciones de electrolitos que se bombean a través de una membrana sostenida entre dos electrodos. El separador de membrana permite que los iones portadores de carga se transporten entre los tanques al tiempo que evita la mezcla cruzada de los dos electrolitos. La mezcla cruzada de materiales puede provocar un deterioro del rendimiento de la batería.

Usando sus PIM de nueva generación, los investigadores diseñaron más barato, membranas de fácil procesamiento con poros bien definidos que dejan pasar iones específicos y mantienen fuera a otros. Demostraron las aplicaciones de sus membranas en baterías orgánicas de flujo redox utilizando especies orgánicas activas redox de bajo costo, como quinonas y ferrocianuro de potasio. Sus membranas PIM mostraron una mayor selectividad molecular hacia los aniones ferrocianuro, y, por lo tanto, un bajo 'cruce' de especies redox en la batería, lo que podría prolongar la vida útil de la batería.

Co-primer autor Rui Tan, un doctorado investigador del Departamento de Ingeniería Química, dijo:"Estamos analizando una amplia gama de productos químicos para baterías que se pueden mejorar con nuestra nueva generación de membranas de transporte de iones, desde baterías de iones de litio de estado sólido hasta baterías de flujo de bajo costo ".

¿Que sigue?

Los principios de diseño de estas membranas selectivas de iones son lo suficientemente genéricos como para que puedan extenderse a membranas para procesos de separación industrial. separadores para futuras generaciones de baterías, como baterías de iones de sodio y potasio, y muchos otros dispositivos electroquímicos para la conversión y el almacenamiento de energía, incluidas las pilas de combustible y los reactores electroquímicos.

Co-primer autor Anqi Wang, también un Ph.D. investigador del Departamento de Ingeniería Química, dijo:"La combinación de transporte rápido de iones y selectividad de estas nuevas membranas selectivas de iones las hace atractivas para una amplia gama de aplicaciones industriales".

Próximo, los investigadores ampliarán este tipo de membrana para fabricar membranas de filtración. También buscarán comercializar sus productos en colaboración con la industria, y están trabajando con potencia RFC, una empresa derivada de baterías de flujo fundada por el coautor de Imperial, el profesor Nigel Brandon.