从大自然中汲取教训

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从大自然中汲取教训

使用电化学聚合或电聚合生成膜可以提供一种简单且具有成本效益的途径,以帮助各个行业满足日益严格的环境法规并降低能耗。

KAUST的研究人员通过将有机共轭聚合物电化学沉积到高度多孔的电极上,生产出具有明确定义的微孔的膜。这些微孔膜具有广泛的应用,范围从有机溶剂纳米过滤到选择性分子转运技术。

高效分离取决于坚固耐用的膜,这些膜具有良好的有序且致密的微孔结构,例如沸石和金属有机骨架。与这些先进的材料不同,常规聚合物通过廉价且可扩展的工艺生产出具有所需细孔的膜,但它们的无定形结构和低孔隙率使它们的效力降低。

共轭微孔聚合物显示出具有增强性能的基于聚合物的膜的潜力。当通过电聚合产生时,这些溶剂稳定的聚合物形成具有均匀孔径和高表面积的交联网络,这是一种相对简单的方法,它依赖于电活性单体。然而,缺点是产生的膜太脆而不能承受压力驱动的分离。赖志平领导的KAUST团队寻求一种制造坚固膜的新方法。


该团队从蜘蛛丝的灵感中汲取灵感,蜘蛛丝从其皮芯结构获得了出色的强度和延展性,他们开发了一种电聚合方法,可在电极的多孔网络内部生长共轭聚合物聚咔唑1。他们将电活性咔唑单体分散在电化学电池的电解质溶液中,并在施加电压的情况下将其氧化,以在电极上覆盖聚合物膜。电极由碳基管状纳米结构制成,可充当膜的坚固多孔支架。

由于该膜的高表面积和对有机溶剂的高亲和力,因此与大多数现有系统相比,该膜的溶剂传输速度更快。它还在窄的分子量差异内分离了染料分子。博士说:“分子筛的这种狭窄归因于均匀的孔径。” 学生周宗耀。

另一个由Lai领导的小组使用了一种类似的基于电聚合的方法,这次方法是受到人类皮肤保护作用的启发,用于防止锂硫电池中的阴极分解2。这些可充电电池对环境友好且价格便宜,与无处不在的锂离子电池相比,具有存储更多能量的潜力,这可能使其可用于电动汽车,无人机和其他便携式电子产品。但是,它们的硫阴极形成称为多硫化物的化合物,在放电过程中容易溶解到电解质中。这些可溶化合物会在阴极和阳极之间穿梭,从而导致永久性容量损失并使锂金属阳极降解。

通过将有机共轭聚合物电化学沉积到高度多孔的电极上,可以生产出具有明确定义的微孔的膜。信用:KAUST;阿纳斯塔西娅·塞林(Anastasia Serin)

防止聚硫化物溶解的先前尝试,例如将化合物捕获和锚定至阴极,已取得了有限的成功。博士说:“我们认为为硫阴极制作人造皮将有助于阻止多硫化物从阴极泄漏。” 学生董国

研究人员合成了另一种聚咔唑膜,该膜在施加电压的情况下与阴极表面相符。这种纳米皮肤的特征是微小的均匀孔,阻止了多硫化物的扩散,但促进了锂离子的快速运输,从而提高了硫的利用率和电池的能量密度。

该小组计划评估其他电极系统中的电聚合过程。赖说,纳米皮有望用于有机电池,其中氧化还原活性有机分子的溶解相当具有挑战性。


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