domingo, 19 de janeiro de 2020

Nova tecnologia melhora a purificação de água e o armazenamento de energia


Os cientistas do Imperial College de Londres criaram um novo tipo de membrana que pode melhorar a purificação da água e os esforços de armazenamento de energia nas baterias.
A nova abordagem para o design da membrana de troca iônica, publicada em 2 de dezembro de 2019, na Nature Materials , utiliza membranas plásticas de baixo custo com muitos poros hidrofílicos minúsculos ('atração da água'). Eles aprimoram a tecnologia atual, que é mais cara e difícil de aplicar na prática.


Uma bateria de fluxo redox que pode ser ampliada para armazenamento de energia em escala de grade.
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 Qilei Song, Imperial College London

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As membranas atuais de troca iônica, conhecidas como Nafion, são usadas para purificar a água e armazenar a produção de energia renovável em células e baterias de combustível. No entanto, os canais de transporte de íons nas membranas de Nafion não são bem definidos e as membranas são muito caras.
Por outro lado, as membranas poliméricas de baixo custo têm sido amplamente usadas na indústria de membranas em vários contextos, desde a remoção de sal e poluentes da água até a purificação de gás natural, mas essas membranas geralmente não são condutoras ou seletivas o suficiente para o transporte de íons.
Agora, uma equipe multi-institucional liderada pelo Dr. Qilei Song, da Imperial, e pelo professor Neil McKeown, da Universidade de Edimburgo, desenvolveu uma nova tecnologia de membrana de transporte de íons que pode reduzir o custo de armazenamento de energia em baterias e de purificação de água.

Eles desenvolveram as novas membranas baseadas em uma classe de polímeros microporosos, conhecidos como polímeros de microporosidade intrínseca (PIMs), e alteraram seus blocos de construção para propriedades variadas usando simulações em computador em colaboração com o Dr. Kim Jelfs da Imperial.
Sua invenção pode contribuir para o uso e armazenamento de energia renovável e aumentar a disponibilidade de água potável nos países em desenvolvimento.
Os polímeros são feitos de espinha dorsal rígida e torcida, como macarrão fusilli. Eles contêm poros minúsculos conhecidos como 'microporos' que fornecem canais rígidos e ordenados através dos quais moléculas e íons viajam seletivamente com base em seus tamanhos físicos.


Membranas microporosas para peneiração de íons com canais ordenados permitem o transporte rápido e seletivo de íons.
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: Qilei Song, Imperial College London


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Os polímeros também são solúveis em solventes comuns, para que possam ser fundidos em filmes superfinos, o que acelera ainda mais o transporte de íons. Esses fatores significam que as novas membranas podem ser usadas em uma ampla gama de processos de separação e dispositivos eletroquímicos que requerem transporte de íons rápido e seletivo.
Para tornar os PIMs mais amigáveis ​​à água, a equipe incorporou grupos funcionais que atraem água, conhecidos como grupos de base e amidoxima de Tröger, para permitir a passagem de pequenos íons salinos, mantendo os íons grandes e moléculas orgânicas.
A equipe demonstrou que suas membranas eram altamente seletivas ao filtrar pequenos íons de sal da água e ao remover moléculas orgânicas e micropoluentes orgânicos para o tratamento municipal de água.


Eles também são ideais para filtrar os íons de lítio do magnésio na água salgada, uma técnica que pode reduzir a necessidade de lítio caro, que é a principal fonte de baterias de íons de lítio. Talvez agora possamos obter lítio sustentável a partir de reservatórios de água do mar ou salmoura, em vez de minerar no subsolo, o que seria mais barato, mais ecológico e ajudará o desenvolvimento de veículos elétricos e armazenamento de energia renovável em larga escala.
As baterias armazenam e convertem a energia produzida por fontes renováveis, como a eólica e a solar, antes que a energia seja inserida na rede elétrica e ative as casas. A rede pode usar essas baterias quando as fontes renováveis ​​se esgotam.

As baterias de fluxo são adequadas para esse armazenamento a longo prazo em larga escala, mas as baterias de fluxo comercial atuais usam sais de vanádio caros, ácido sulfúrico e membranas de troca iônica Nafion, que são caras e limitam as aplicações em larga escala de baterias de fluxo.
Uma bateria de fluxo típica consiste em dois tanques de soluções de eletrólitos que são bombeados por uma membrana mantida entre dois elétrodos. O separador de membrana permite que os íons transportadores de carga sejam transportados entre os tanques, impedindo a mistura cruzada dos dois eletrólitos. A mistura cruzada de materiais pode levar à deterioração do desempenho da bateria.
Usando seus PIMs de nova geração, os pesquisadores projetaram membranas mais baratas e facilmente processadas, com poros bem definidos que permitem a entrada de íons específicos e afastam os outros. Eles demonstraram as aplicações de suas membranas em baterias orgânicas redox de fluxo redox usando espécies ativas redox orgânicas de baixo custo, como quinonas e ferrocianeto de potássio.


Polímeros microporosos contendo canais iônicos interligados.
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: Qilei Song, Imperial College London

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As suas membranas PIM mostraram maior seletividade molecular em relação aos ânions de ferrocianeto e, portanto, baixo "cruzamento" de espécies redox na bateria, o que poderia levar a uma vida útil mais longa da bateria.
Os princípios de design dessas membranas seletivas a íons são genéricos o suficiente para que possam ser estendidos a membranas para processos de separação industrial, separadores para gerações futuras de baterias, como baterias de íons sódio e potássio, e muitos outros dispositivos electroquímicos para conversão e armazenamento de energia, incluindo combustível células e reatores electroquímicos.
Os investigadores ampliarão esse tipo de membrana para criar membranas de filtragem. Eles também procurarão comercializar seus produtos em colaboração com a indústria e estão trabalhando com a RFC power, uma empresa de baterias de fluxo fundido fundada pelo co-autor Imperial, Professor Nigel Brandon.

Este artigo é resultado de um trabalho multi-institucional da Universidade de Edimburgo (Professor Neil McKeown), com simulação e testes realizados por equipes do Departamento de Química da Imperial (Dr. Kim Jelfs), da Universidade de Liverpool (Professor Andrew Cooper), e a Universidade de Cambridge (professora Clare Gray).

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Referencia//Scitechdaily


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