Einem Forscherteam ist ein Durchbruch bei der Entwicklung von Anionenaustauschmembranen (AEMs) gelungen. Sie entwickelten eine neuartige spiro-verzweigte Polymermembran mit hochvernetzten subnanometergroßen mikroporösen Ionenkanälen, die sich in Durchflussbatterieanwendungen als außergewöhnlich leistungsfähig erweisen. Zum Team gehörten Forscher der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinese Academy of Sciences (CAS) unter der Leitung von Prof. Xu Tongwen und Ge Xiaolin.
Die Studie war veröffentlicht In Natur Nachhaltigkeit.
AEMs haben ein breites Anwendungsspektrum, darunter chemische Trennungen, CO2-Umwandlung, elektrochemische Ammoniaksynthese, Wasserelektrolyse zur Wasserstoffproduktion und verschiedene Energiespeichersysteme. Die Fähigkeit, Ionen effizient und zuverlässig zu leiten, ist für die Verbesserung der Leistung und Nachhaltigkeit dieser Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Traditionelle Methoden, vor allem durch Mikrophasentrennung, haben Probleme mit der Balance zwischen Ionenleitfähigkeit, Selektivität und Stabilität. Dies führt oft zu Kompromissen, die die Gesamtleistung der Membranen einschränken.
Um diese Probleme zu lösen, entwickelte das Forschungsteam eine neuartige spiro-verzweigte Polymermembran unter Verwendung stereotwisted Spiro-Gerüste und Poly(arylpiperidinium) auf Basis eines reinen Kohlenstoff-Grundgerüsts. Der Syntheseprozess umfasste die Schaffung einer spiro-verzweigten Struktur, die die Steifigkeit von Spiro-Einheiten mit der Flexibilität verzweigter Ketten kombiniert. Diese neuartige Konfiguration zielte darauf ab, das freie Volumen innerhalb des Polymers zu erhöhen, was für die Bildung effizienter Ionentransportwege entscheidend ist.
Darüber hinaus führten die Forscher eine umfassende Strukturcharakterisierung durch, einschließlich Morphologieanalysen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sowie Porositätsmessungen. Diese Analysen ergaben, dass die Membran ein halbflexibles, dreidimensionales, lose gepacktes Netzwerk bildet, das das freie Volumen deutlich erhöht und stark vernetzte Subnanometer-Ionenkanäle erzeugt.
Schließlich zeigte die Leistungsbewertung, dass die spiro-verzweigten Polymermembranen eine außergewöhnliche Anionenleitfähigkeit aufwiesen, wobei die Chloridionenleitfähigkeiten bei 30 °C über 60 mS cm-1 lagen und bei 80 °C bis zu 120 mS cm-1 erreichten. Darüber hinaus zeigten diese Membranen bei Durchflussbatterieanwendungen eine überlegene Leistungsdichte und Energieeffizienz und ermöglichten schnelle Lade- und Entladezyklen bei einer hohen Stromdichte von 400 mA cm-2. Sie zeigten auch eine ausgezeichnete chemische Stabilität in Vanadium-Redox-Durchflussbatterien, was auf ihr Potenzial für den langfristigen Einsatz in Energiespeichersystemen hindeutet.
Dieser Durchbruch bietet eine neue Strategie für das Membranmaterialdesign und kann möglicherweise verschiedene Energie- und Umweltprobleme angehen. Die Forschung bringt nicht nur das Feld der Polymerwissenschaft voran, sondern ebnet auch den Weg für effizientere und nachhaltigere Energiespeichertechnologien.
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Huaqing Zhang et al, Hochleistungsfähige spiroverzweigte Polymermembranen für Nachhaltigkeitsanwendungen, Natur Nachhaltigkeit (2024). DOI: 10.1038/s41893-024-01364-0
Zur Verfügung gestellt von der University of Science and Technology of China