新的膜技术改善了水的净化和电池的能量存储

时间:2020-02-05 19:40 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

新的膜技术改善了水的净化和电池的能量存储

伦敦帝国理工学院的科学家们发明了一种新型的膜,可以改善水的净化和电池的能量储存。

离子交换膜设计的新方法于2019年12月2日发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上,该方法使用低成本的塑料膜,膜上有许多微小的亲水(“吸水”)孔。它们改进了现有的技术,这些技术更昂贵,而且难以实际应用。

“我们的设计为各种用途的新一代薄膜欢呼既能改善生活,又能促进太阳能和风能等可再生能源的储存,这将有助于应对气候变化。”本;博士Qilei歌

目前,被称为Nafion的离子交换膜被用来净化水,并将可再生能源输出储存在燃料电池和电池中。然而,Nafion膜中的离子传输通道并不清晰,且成本昂贵。

相比之下,低成本的聚合物膜在膜工业中得到了广泛的应用,从去除水中的盐和污染物,到天然气净化但这些膜通常不导电或选择性不够离子运输。

现在,一个由帝国理工学院的宋启雷博士和爱丁堡大学的尼尔·麦基翁教授领导的多机构团队已经开发出一种新的离子传输膜技术,这种技术可以降低电池储存能量和净水的成本。

他们开发了基于一类微孔聚合物的新膜,这种聚合物被称为固有微孔聚合物(PIMs),并与帝国理工学院的Kim Jelfs博士合作,通过计算机模拟改变了它们的构建块以获得不同的性能。

Fusilli backbones

他们的发明将有助于可再生能源的使用和储存,并促进发展中国家清洁饮用水的供应。

帝国理工学院化学工程系的宋博士是这项研究的第一作者,他说:“我们的设计为新一代用于多种用途的薄膜欢呼既能改善生活,又能促进太阳能和风能等可再生能源的储存,这将有助于应对气候变化。”

新的膜技术改善了水的净化和电池的能量存储

这种聚合物是由刚性扭曲的脊骨构成的,就像意大利通心粉一样。它们含有被称为“微孔”的微小孔隙它们提供了刚性的、有序的通道,分子和离子可以根据其物理大小有选择地通过这些通道。

这些聚合物也可以溶解在普通溶剂中,因此它们可以被铸成超薄薄膜,从而进一步加速离子的传输。这些因素意味着这种新型膜可以广泛应用于需要快速选择性离子传输的分离过程和电化学装置中。

过滤水

为了使PIMs更亲水,该团队引入了吸引水的官能团,称为Troger 's base和偕胺肟基,允许小盐离子通过,同时保留大离子和有机分子。

该团队证明,他们的膜在过滤水中的小盐离子、去除城市水处理中的有机分子和有机微污染物时具有很强的选择性。宋博士说:“这种膜可用于水纳滤系统,并可大规模生产,为发展中国家提供饮用水。

新的膜技术改善了水的净化和电池的能量存储

它们的特异性也足以过滤掉镁中的锂离子这项技术可以减少昂贵锂矿的需求,锂矿是锂离子电池的主要来源。

宋博士说:“或许现在我们可以从海水或卤水水库中获取可持续的锂,而不是在地下开采,这样成本更低,更环保,还有助于电动汽车和大规模可再生能源储存的发展。”

提高电池

电池储存和转换由风能和太阳能等可再生能源产生的能量,然后将这些能量输送到电网并为家庭供电。当可再生能源不足时,如太阳能板在晚上不收集能量时,电网可以利用这些电池。

流量电池适合这种大规模的长期存储,但目前商用流量电池使用昂贵的钒盐、硫酸和Nafion离子交换膜,这些都是昂贵的,限制了流量电池的大规模应用。

一个典型的流动电池由两个电解液槽组成,电解液被泵过两个电极之间的薄膜。膜分离器允许携带电荷的离子在容器之间运输,同时防止两种电解质的交叉混合。材料的交叉混合会导致电池性能下降。

新的膜技术改善了水的净化和电池的能量存储

利用新一代的PIMs,研究人员设计了更便宜、更容易处理的膜,这些膜具有清晰的孔,可以让特定的离子通过,并将其他离子拒之门外。他们用低成本的有机氧化还原活性物质如醌和亚铁氰化钾证明了他们的膜在有机氧化还原流动电池中的应用。

他们的PIM膜对亚铁氰化物阴离子表现出更高的分子选择性,因此较低的“交叉”。的氧化还原物质,从而延长电池的使用寿命。

化学工程系的博士研究员,同时也是第一作者之一的谭锐说:“我们正在研究一系列的电池化学反应,从固态锂离子电池到低成本流动电池,我们的新一代离子传输膜可以改善这些化学反应。”,,,,

下一个,是吗?

这些离子选择性膜的设计原则是通用的,以至于他们可以扩展到工业膜分离过程,分隔符为未来的一代又一代的钠离子和钾离子电池等电池,和许多其他电化学设备能量转换和存储包括燃料电池和电化学反应器。

该研究的第一作者之一、化学系博士生王安琦说:“这种新型离子选择性膜结合了快速离子传输和选择性,因此具有广泛的工业应用价值。”

下一步,研究人员将扩大这种类型的膜,使过滤膜。他们还将与工业界合作,研究如何将他们的产品商业化,并与帝国理工学院的合作教授奈杰尔·布兰登(Nigel Brandon)创办的流动电池公司RFC power合作。

本文的结果多与爱丁堡大学(尼尔·麦克考恩教授),进行模拟和测试团队在Imperial’ s化学系(基姆Jelfs),利物浦大学(安德鲁·库珀教授),和剑桥大学的教授克莱尔(灰色)。

这项工作由工程和物理科学研究委员会(EPSRC)、欧洲研究委员会、EPSRC集成能源系统高级材料中心(CAM-IES)、英国能源存储中心和CAM-IES中心、Leverhulme信托基金、皇家学会和分子科学与工程研究所(IMSE, Imperial)资助。

参考文献:“亲水微孔膜用于选择性离子分离和流动电池储能”鲁伊·谭,Anqi王理查德?Malpass-Evans Evan文博赵,刘涛春春,Xiaoqun周,芭芭拉霹雳马Darwich,致宇粉丝,卢卡斯Turcani,爱德华·杰克逊,临江,萨曼莎y Chong,李道金e . Jelfs安德鲁·库珀,奈杰尔·布兰登克莱尔p .灰色,尼尔·b·麦克考恩和Qilei歌曲,2 2019年12月,自然材料。

DOI: 10.1038 / s41563 - 019 - 0536 - 8

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