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新型膜技术可促进水净化和能量存储

2019-12-03 13:59  来源:量子认知  浏览:  
英国伦敦帝国理工学院的科学家们创造了一种新型的膜,这种新型膜技术可以改善水的净化和电池的新浦京。在今天的《自然材料》科学杂志上发表的新的离子交换膜设计方法的研究成果论文指出,使用低成本塑料膜,使该膜具有许多微小的亲水吸水孔,从而使目前较昂贵且难以实际应用的技术得到了改进。

当前的离子交换膜用于净化水并将可再生能源输出存储在燃料电池和电池中。但是,这种膜非常昂贵。相比之下,低成本聚合物膜已在薄膜行业中广泛使用,从去除水中的盐和污染物到天然气净化都在使用,但是这些膜通常对离子传输的导电性或选择性不足。

现在,爱丁堡大学的研究团队开发了一种新的离子传输膜技术,该技术可以降低电池中新浦京和净化水的成本。他们使用计算机模拟技术开发新的膜,以构建一类称为内在微孔性(PIM)的微孔聚合物,并改变其结构构件以实现不同的性能。他们的发明可以促进可再生能源的使用和存储,并增加发展中国家清洁饮用水的供应。

参与这项研究的还有多位中国学者:谭瑞(Rui Tan)、王安琪(Anqi Wang)、赵文博(Wenbo Zhao)、刘涛(Tao Liu)、叶春春(Chunchun Ye)、周小群(Xiaoqun Zhou)、范志宇(Zhiyu Fan)、陈林江(Linjiang Chen)、李涛(Tao Li)、宋启磊(Qilei Song)博士等。

研究人员表示:“大家的设计开拓了用于多种用途的新一代膜,既改善生活水平,又促进太阳能和风能等可再生能源的存储,这将有助于改善气候变化。”

这种聚合物由具刚性和扭曲性的主链制成,其中包含极为微小的“微孔”,这些微孔提供了刚性与有序的通道,分子和离子可根据其物理大小选择性地通过这些通道。

聚合物也可溶于普通溶剂,因此可将其浇铸成超薄膜,从而进一步加快离子传输速度。这意味着新膜可用于需要快速和选择性离子迁移的广泛分离过程和电化学设备中。

为了使内在微孔性更加具有亲水性,研究人员引入了一种吸水官能团以允许小盐离子通过,同时保留大离子和有机分子。

该研究证明,当从水中过滤出小的盐离子,以及去除有机分子和有机微污染物用于市政水处理时,这样的膜具有很高的选择性。这种膜可用于水的纳滤系统中,并可大规模生产,以为发展中国家提供饮用水。

它们还具有足够的特异性,可以从盐水中的镁中滤出锂离子,这种技术可以减少对昂贵的开采锂的需求,而锂是锂离子电池的主要来源。

研究人员认为:“也许现在大家可以从海水或盐水库中获取可持续的锂,而不是在地下开采,这将更便宜、更环保,并有助于电动汽车和大规模可再生能源的发展。 ”

电池存储和转换由风能和太阳能等可再生资源产生的能量,然后再将其馈入电网并为房屋供电。当可再生能源的电量不足时,例如晚上太阳能电池板不收集能量时,电网可以接入这些电池。

液流电池适合于这样的大规模长期存储,但是当前的市售液流电池使用昂贵的钒盐、硫酸和离子交换膜,昂贵而限制了液流电池的大规模应用。

典型的液流电池由两个电解液罐组成,这些电解液被泵送通过固定在两个电极之间的薄膜。膜分离器允许携带电荷的离子在槽之间传输,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。

利用这样的新一代内在微孔性技术,研究人员设计了价格便宜、易于加工的膜,该膜具有清晰的孔,可让特定的离子通过并阻止其他离子进入。研究人员展示了该膜在使用低成本有机氧化还原活性物质(例如醌和亚铁氰化钾)的有机氧化还原液流电池中的应用。这样的内在微孔性膜对亚铁氰化物阴离子具有更高的分子选择性,因此电池中氧化还原物质的“交叉”率低,从而电池寿命更长。

论文第一编辑、化学工程系的研究人员、谭瑞博士说:“大家正在研究广泛的电池化学特性,这些特性可以用大家的新一代离子传输膜来改善,从固态锂离子电池到低成本液流电池。 ”

这些离子选择性膜的设计原理足够通用,可以扩展到工业分离过程的膜、下一代电池的隔膜(例如钠和钾离子电池)以及许多其他用于能量转换和存储(包括燃料)的电化学装置电池和电化学反应器。

论文共同第一编辑、化学工程学系的研究人员、王安琪博士说:“这些新型离子选择膜的快速离子迁移和选择性的结合,使它们对广泛的工业应用具有吸引力。”

接下来,研究人员将按比例放大这种类型的膜以制造过滤膜。他们还将与工业界合作,将其产品商业化,并与电力企业合作创立分拆式流动电池企业。

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