Die Entwicklung effizienter, selektiver und skalierbarer Trennungen für kritische Materialien wie Lithium und Magnesium ist von entscheidender Bedeutung, um die steigende Nachfrage nach sauberen Energietechnologien zu erfüllen und Herausforderungen in den inländischen Lieferketten zu lindern. Graphenoxidmembranen (GO) haben sich als vielversprechend für die Trennung von Ionen aus gemischten Lösungen auf Basis ihrer Größe erwiesen.
Während frühere Arbeiten GO-Membranen für größenbasierte Trennungen verwendeten, erweitert die UV-Lichtreduzierung die potenziellen Einsatzmöglichkeiten von GO-Membranen durch Änderung des Trennmechanismus. Dieser Modifikationsansatz ermöglicht es Forschern, die Funktionalität von GO-Membranen mit einer unkomplizierten Methode anzupassen, bei der keine aggressiven oder speziellen Chemikalien verwendet werden.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Reduzierung von GO-Membranen mit ultraviolettem (UV-)Licht die Sauerstoff-Funktionsgruppen auf der GO-Oberfläche verändert. Diese Veränderung führt zu einem anderen, chromatographieähnlichen Trennmechanismus, der selektiv auf Ladung statt auf Größe ist.
Größere, doppelt geladene Kationen wie Calcium bewegen sich schneller durch die Membranen als kleinere, einfach geladene Kationen wie Lithium. Die Arbeit ist veröffentlicht im Zeitschrift für Chemieingenieurwesen.
Die kleineren Lithiumkationen durchdringen die UV-rGO-Membranen langsamer als größere Kationen wie Kalzium und Magnesium, was zu einer drei- bis vierfachen Verbesserung der Trennselektivität zwischen diesen repräsentativen Kationen führt.
Durch UV-Bestrahlung wurden selektiv Hydroxylgruppen (–OH) aus den GO-Basalebenen entfernt, was zu verstärkten Wechselwirkungen von Metallkationen mit funktionellen Gruppen an den Rändern von GO führte. Dies führte zu einem geringeren Anteil an frei beweglichem Lithium in der Lösung im Vergleich zu Calciumkationen. Für UV-rGO wird ein Trennmechanismus analog zur Chromatographie vorgeschlagen, der die entscheidende Rolle verschiedener Sauerstoffgruppen auf GO bei der Steuerung des selektiven Ionentransports durch GO-Membranen betont.
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Yiming Yin et al., Unterschiedliches Ionentransportverhalten zwischen Graphenoxid und UV-bestrahlten reduzierten Graphenoxidmembranen, Zeitschrift für Chemieingenieurwesen (2024). DOI: 10.1016/j.cej.2024.152304