Investigadores desarrollan membranas de intercambio aniónico de alto rendimiento para aplicaciones de sostenibilidad

Un equipo de investigadores ha logrado un gran avance en el desarrollo de membranas de intercambio aniónico (AEM). Diseñaron una novedosa membrana polimérica espiro-ramificada que incorpora canales de iones microporosos subnanómetros altamente conectados, lo que muestra un rendimiento excepcional en aplicaciones de baterías de flujo. El equipo incluyó investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia de Ciencias de China (CAS), dirigidos por el profesor Xu Tongwen y Ge Xiaolin.

El estudio fue publicado en Sostenibilidad de la Naturaleza.

Los AEM tienen amplias aplicaciones, incluidas separaciones químicas, CO₂ conversión, síntesis electroquímica de amoníaco, electrólisis de agua para la producción de hidrógeno y diversos sistemas de almacenamiento de energía. La capacidad de conducir iones de manera eficiente y confiable es vital para mejorar el rendimiento y la sostenibilidad de estas aplicaciones. Los métodos tradicionales, principalmente mediante la separación de microfases, han tenido problemas para equilibrar la conductividad, selectividad y estabilidad de los iones. Esto a menudo da lugar a compensaciones que limitan el rendimiento general de las membranas.

Para resolver estos problemas, el equipo de investigación desarrolló una nueva membrana polimérica espiro-ramificada utilizando andamios de espiro estereotorcidos y poli (aril piperidinio) basado en una columna vertebral totalmente de carbono. El proceso de síntesis implicó la creación de una estructura espiro-ramificada que combina la rigidez de las unidades espiro con la flexibilidad de las cadenas ramificadas. Esta nueva configuración tenía como objetivo mejorar el volumen libre dentro del polímero, que es crucial para formar vías eficientes de transporte de iones.

Además, los investigadores llevaron a cabo una caracterización estructural exhaustiva, incluido un análisis de morfología mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM), así como mediciones de porosidad. Estos análisis revelaron que la membrana forma una red tridimensional semiflexible, lo que aumenta significativamente el volumen libre y crea canales iónicos subnanómetros altamente conectados.

Finalmente, la evaluación del rendimiento mostró que las membranas poliméricas espiro-ramificadas demostraron una conductividad aniónica excepcional, con conductividades de iones cloruro superiores a 60 mS cm.^-1 a 30°C y alcanzando hasta 120 mS cm^-1 a 80°C. Además, en aplicaciones de baterías de flujo, estas membranas mostraron una densidad de potencia y una eficiencia energética superiores, lo que permitió ciclos rápidos de carga y descarga con una alta densidad de corriente de 400 mA cm.^-2. También mostraron una excelente estabilidad química en baterías de flujo redox de vanadio, lo que indica su potencial para uso a largo plazo en sistemas de almacenamiento de energía.

Este avance ofrece una nueva estrategia para el diseño de materiales de membranas, que potencialmente aborda diversos desafíos energéticos y ambientales. La investigación no sólo hace avanzar el campo de la ciencia de los polímeros, sino que también allana el camino para tecnologías de almacenamiento de energía más eficientes y sostenibles.