Generación de membranas mediante polimerización electroquímica, o electropolimerización, podría proporcionar una ruta simple y rentable para ayudar a varias industrias a cumplir con las regulaciones ambientales cada vez más estrictas y reducir el consumo de energía.

Los investigadores de KAUST han producido membranas con poros microscópicos bien definidos depositando electroquímicamente polímeros orgánicos conjugados sobre electrodos altamente porosos. Estas membranas microporosas tienen numerosas aplicaciones, que van desde la nanofiltración con disolventes orgánicos hasta las tecnologías de transporte molecular selectivo.

La separación de alto rendimiento depende de membranas robustas con estructuras microporosas densas y bien ordenadas, tales como zeolitas y estructuras organometálicas. A diferencia de estos materiales de última generación, Los polímeros convencionales producen membranas con los poros diminutos deseados a través de procesos económicos y escalables. pero su arquitectura amorfa y baja porosidad los hacen menos efectivos.

Los polímeros microporosos conjugados han mostrado potencial para membranas basadas en polímeros con un rendimiento mejorado. Estos polímeros estables a disolventes forman redes reticuladas con tamaños de poros uniformes y una gran superficie cuando se crean mediante electropolimerización. un método relativamente simple que se basa en monómeros electroactivos. El inconveniente sin embargo, es que las membranas producidas son demasiado frágiles para soportar separaciones impulsadas por presión. El equipo de KAUST, dirigido por Zhiping Lai, buscó un nuevo enfoque para fabricar una membrana robusta.

Inspirándose en la seda de araña, que obtiene su fuerza y ​​ductilidad excepcionales de su estructura de núcleo de piel, El equipo desarrolló un enfoque de electropolimerización para hacer crecer el polímero policarbazol conjugado dentro de la red porosa de un electrodo1. Dispersaron monómeros de carbazol electroactivos en la solución de electrolito de una celda electroquímica y oxidaron los monómeros bajo voltaje aplicado para recubrir el electrodo con la película de polímero. El electrodo estaba hecho de nanoestructuras tubulares a base de carbono que sirvieron como un andamio robusto y poroso para la membrana.

La membrana mostró un transporte de solvente más rápido que la mayoría de los sistemas existentes debido a su gran área de superficie y alta afinidad por los solventes orgánicos. También separó las moléculas de colorante dentro de una estrecha diferencia de peso molecular. "Este tamizado molecular estrecho se atribuye al tamaño de poro uniforme, "dice el estudiante de doctorado Zongyao Zhou.

Otro equipo dirigido por Lai utilizó un enfoque similar basado en la electropolimerización, esta vez inspirado en el papel protector de la piel humana, para prevenir la descomposición del cátodo en las baterías de litio-azufre2. Ecológico y económico, estas baterías recargables tienen potencial para almacenar más energía que sus homólogas de iones de litio omnipresentes, lo que podría hacerlos útiles para automóviles eléctricos, drones y otros aparatos electrónicos portátiles. Sin embargo, su cátodo de azufre forma compuestos llamados polisulfuros que se disuelven fácilmente en el electrolito durante la descarga. Estos compuestos solubles pueden desplazarse entre el cátodo y el ánodo, provocando una pérdida permanente de capacidad y degradando el ánodo de metal de litio.

Intentos previos para prevenir la disolución del polisulfuro, como capturar y anclar los compuestos al cátodo, han tenido un éxito limitado. "Pensamos que el cultivo de una piel artificial para el cátodo de azufre ayudaría a detener la fuga de polisulfuro del cátodo, "dice el estudiante de doctorado Dong Guo.

Los investigadores sintetizaron otra membrana de policarbazol que se adapta a la superficie del cátodo bajo voltaje aplicado. Esta nanopiel presenta poros diminutos y uniformes que bloquean la difusión de polisulfuro pero facilitan el transporte rápido de iones de litio. lo que mejora la utilización de azufre y la densidad de energía de la batería.

El equipo planea evaluar el proceso de electropolimerización en otros sistemas de electrodos. La nanopiel es prometedora para las baterías orgánicas, en el que la disolución de moléculas orgánicas activas redox es bastante desafiante, Dice Lai.