Forscher entwickeln leistungsstarke Anionenaustauschmembranen für nachhaltige Anwendungen

Einem Forscherteam ist ein Durchbruch bei der Entwicklung von Anionenaustauschmembranen (AEM) gelungen. Sie entwarfen eine neuartige spiroverzweigte Polymermembran, die hochgradig verbundene mikroporöse Ionenkanäle im Subnanometerbereich integriert und so eine außergewöhnliche Leistung in Flussbatterieanwendungen demonstriert. Dem Team gehörten Forscher der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas (USTC) und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) unter der Leitung von Professor Xu Tongwen und Ge Xiaolin an.

Die Studie wurde veröffentlicht in Nachhaltigkeit der Natur.

AEMs haben viele Anwendungen, einschließlich chemischer Trennungen und CO₂ Umwandlung, elektrochemische Synthese von Ammoniak, Elektrolyse von Wasser zur Wasserstoffproduktion und verschiedene Energiespeichersysteme. Die Fähigkeit, Ionen effizient und zuverlässig zu leiten, ist entscheidend für die Verbesserung der Leistung und Nachhaltigkeit dieser Anwendungen. Herkömmliche Methoden, vor allem die Mikrophasentrennung, hatten Schwierigkeiten, die Ionenleitfähigkeit, Selektivität und Stabilität in Einklang zu bringen. Dies führt häufig zu Kompromissen, die die Gesamtleistung der Membranen einschränken.

Um diese Probleme anzugehen, entwickelte das Forschungsteam eine neuartige spiroverzweigte Polymermembran unter Verwendung spirostereotwistierter Gerüste und Poly(arylpiperidinium) auf Basis eines vollständig aus Kohlenstoff bestehenden Rückgrats. Der Syntheseprozess umfasste die Schaffung einer spiroverzweigten Struktur, die die Steifigkeit von Spiroeinheiten mit der Flexibilität verzweigter Ketten kombiniert. Diese neue 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 morphologischer Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sowie Porositätsmessungen. Diese Analysen ergaben, dass die Membran ein halbflexibles, locker gepacktes 3D-Netzwerk bildet, das das freie Volumen deutlich vergrößert und stark verbundene Subnanometer-Ionenkanäle erzeugt.

Schließlich zeigte die Leistungsbewertung, dass die spiroverzweigten Polymermembranen eine außergewöhnliche Anionenleitfähigkeit aufwiesen, wobei die Chloridionenleitfähigkeit 60 mS cm überstieg.^-1 bei 30°C und erreicht bis zu 120 mS cm^-1 bei 80°C. Darüber hinaus haben diese Membranen in Flussbatterieanwendungen eine überlegene Leistungsdichte und Energieeffizienz gezeigt und ermöglichen schnelle Lade- und Entladezyklen bei einer hohen Stromdichte von 400 mA cm.^-2. Sie zeigten auch eine ausgezeichnete chemische Stabilität in Vanadium-Redox-Flow-Batterien, was auf ihr Potenzial für den langfristigen Einsatz in Energiespeichersystemen hinweist.

Dieser Durchbruch bietet eine neue Strategie für die Gestaltung von Membranmaterialien, die möglicherweise verschiedene Energie- und Umweltherausforderungen angeht. Die Forschung bringt nicht nur das Gebiet der Polymerwissenschaft voran, sondern ebnet auch den Weg für effizientere und nachhaltigere Energiespeichertechnologien.