Les chercheurs développent des membranes échangeuses d’anions haute performance pour des applications durables

Une équipe de chercheurs a réalisé une percée dans le développement de membranes échangeuses d’anions (AEM). Ils ont conçu une nouvelle membrane polymère spiro-ramifiée qui intègre des canaux ioniques microporeux subnanométriques hautement connectés, démontrant des performances exceptionnelles dans les applications de batteries à flux. L’équipe comprenait des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l’Académie chinoise des sciences (CAS), dirigés par le professeur Xu Tongwen et Ge Xiaolin.

L’étude a été publié dans Durabilité de la nature.

Les AEM ont de nombreuses applications, notamment les séparations chimiques, le CO₂ conversion, synthèse électrochimique d’ammoniac, électrolyse de l’eau pour production d’hydrogène, et divers systèmes de stockage d’énergie. La capacité à conduire les ions de manière efficace et fiable est essentielle pour améliorer les performances et la durabilité de ces applications. Les méthodes traditionnelles, principalement par séparation par microphase, ont eu du mal à équilibrer la conductivité, la sélectivité et la stabilité des ions. Cela entraîne souvent des compromis qui limitent les performances globales des membranes.

Pour résoudre ces problèmes, l’équipe de recherche a développé un nouveau polymère spiro-ramifié membrane utilisant des échafaudages spiro torsadés stéréo et du poly (aryl pipéridinium) basés sur un squelette entièrement en carbone. Le processus de synthèse impliquait la création d’une structure spiro-ramifiée qui combine la rigidité des unités spiro avec la flexibilité des chaînes ramifiées. Cette nouvelle configuration visait à augmenter le volume libre au sein du polymère, ce qui est crucial pour former des voies de transport d’ions efficaces.

En outre, les chercheurs ont procédé à une caractérisation structurelle complète, y compris une analyse morphologique par microscopie électronique à balayage (MEB) et transmission. microscopie électronique (TEM), ainsi que des mesures de porosité. Ces analyses ont révélé que la membrane forme un réseau 3D semi-flexible, peu compacté, qui augmente considérablement le volume libre et crée des canaux ioniques subnanométriques hautement connectés.

Enfin, l’évaluation des performances a montré que les membranes polymères spiro-ramifiées présentaient une conductivité anionique exceptionnelle, avec des conductivités des ions chlorure dépassant 60 mS cm.^-1 à 30°C et atteignant jusqu’à 120 mS cm^-1 à 80°C. De plus, dans les applications de batteries à flux, ces membranes ont montré une densité de puissance et une efficacité énergétique supérieures, permettant des cycles de charge et de décharge rapides à une densité de courant élevée de 400 mA cm.^-2. Ils ont également présenté une excellente stabilité chimique dans les batteries à flux redox au vanadium, indiquant leur potentiel pour une utilisation à long terme dans les systèmes de stockage d’énergie.

Cette percée offre une nouvelle stratégie pour la conception de matériaux membranaires, répondant potentiellement à divers défis énergétiques et environnementaux. La recherche fait non seulement progresser le domaine de la science des polymères, mais ouvre également la voie à des technologies de stockage d’énergie plus efficaces et plus durables.