Forscher des Instituts für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften nutzen Gefrierpunktunterschiede zur präzisen Trennung von Rubidium- und Kaliumionen mittels Verbundmembran

de.wedoany.com-Bericht: Das Team um Wang Jianjun und Xue Han vom Technischen Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat kürzlich gemeinsam mit dem Team von Professor Zeng Xiaocheng von der City University of Hongkong, dem Team von Akademiemitglied Fang Weihai und Professor Zhu Chongqin von der Pädagogischen Universität Peking sowie weiteren Einrichtungen eine neue Methode namens „Zeitskalen-Trennung“ vorgeschlagen. Diese nutzt die signifikante Absenkung des Gefrierpunkts von Wasser in nanoskaligen begrenzten Räumen aus. Erfolgreich wurde ein Graphenoxid-Polymer-Verbundmembran entwickelt, die eine präzise Kontrolle des Kanalabstands und eine langfristige Stabilität der Membranstruktur ermöglicht. Bei dieser Methode werden die Schritte „Abstandskontrolle durch Zusammenbau“ und „Fixierung des Abstands durch Aushärtung“ der Monomermoleküle nacheinander durchgeführt. Dabei wird der Unterschied im Gefrierpunkt zwischen dem Wasser in den Zwischenschichten und dem freien Wasser genutzt: Zuerst erfolgt der geordnete Zusammenbau bei niedrigen Temperaturen, dann wird die Kanalstruktur durch eine Polymerisationsreaktion fixiert.

Bei herkömmlichen Methoden sind der Zusammenbau der Monomermoleküle und der Aushärtungsprozess durch Polymerisation miteinander verflochten, was eine präzise Kontrolle der inneren Struktur erschwert. Das Forschungsteam erklärte, dass diese Strategie die präzise Regulierung der Membrankanäle und die strukturelle Stabilität gleichzeitig erreicht und so die Probleme löst, dass bei herkömmlichen Methoden Durchfluss und Selektivität einander einschränken und das Membranmaterial leicht quillt und sich verformt. „Normalerweise müssen die Kanäle breiter sein, um einen hohen Durchfluss zu erreichen; aber sobald die Kanäle breiter sind, sinkt die Selektivität, und die Membran neigt in Wasser zum Quellen und Verformen“, erklärte Wang Jianjun, korrespondierender Autor der Studie und Forscher am Technischen Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Diese Methode weist eine gute Allgemeingültigkeit auf und ist auf verschiedene molekulare Systeme anwendbar. Gestützt auf umfangreiche Experimente und mehrskalige theoretische Berechnungen hat das Forschungsteam die mikroskopischen Mechanismen des molekularen Zusammenbaus und der Aushärtung durch Polymerisation unter nanoskaliger Begrenzung aufgeklärt. Die auf dieser Strategie basierende Verbundmembran zeigt nicht nur eine hervorragende Stabilität, sondern ermöglicht auch eine effektive Trennung von Rubidium- und Kaliumionen, deren hydratisierte Durchmesser sich um weniger als 0,1 Ångström unterscheiden. Damit wurde die bisherige Einschränkung überwunden, dass „Durchfluss, Selektivität und Stabilität“ nicht gleichzeitig optimiert werden konnten.