Полимерные мембраны давно используют для разделения веществ — они дешевые, и их легко производить в больших масштабах.

Но у них есть проблема: в отличие от таких материалов, как металлоорганические каркасы или ковалентные органические фреймворки, где поры упорядочены как шахматная доска, у обычных полимерных мембран структура хаотичная, как спагетти в миске.

Из-за этого они плохо различают молекулы или ионы почти одинакового размера — либо пропускают слишком много лишнего, либо работают медленно.

Металлоорганические каркасы (MOF) — это материалы, где ионы металлов соединены органическими «мостиками», образуя структуру с идеально одинаковыми порами. Как LEGO, собранный в кристалл.

Недавно команда профессора Ли Сяньфэна из Даляньского института химической физики придумала, как сделать полимерные мембраны тонкими и точными. Они создали слой толщиной всего 3 микрона (это в 30 раз тоньше человеческого волоса!), который отлично разделяет ионы. Секрет в том, что ученые нарастили на обычную полимерную подложку специальный сетчатый слой с крошечными порами — от 1,8 до 5,4 ангстрем (для сравнения: диаметр молекулы воды — около 3 ангстрем).

Результаты опубликованы в издании Nature Chemical Engineering.

Наш метод простой и позволяет резко уменьшить толщину мембраны, а значит, и сопротивление для ионов, — объясняет профессор Ли.

Такую мембрану испытали в ванадиевых проточных батареях — устройствах для хранения энергии.

При рекордной плотности тока 300 мА/см² КПД батареи достиг 82,38%.

Раньше это было невозможно: либо мембраны были слишком толстые и «тормозили» ток, либо пропускали ненужные ионы.

Мы решили давнюю проблему и открыли новые возможности для мембранных технологий, — говорит Ли.

Исследование может преобразить две области:

• Энергетику — ванадиевые батареи с такими мембранами станут эффективнее и дешевле, что критично для хранения энергии от ветра и солнца.
• Опреснение воды — если метод адаптировать, можно создать фильтры, которые будут тратить меньше энергии на удаление солей.

Неясно, как поведет себя мембрана при длительной работе: ванадиевые батареи заряжаются тысячами циклов, а тонкий слой может деградировать быстрее обычного. Авторы не приводят данных по износостойкости.

Ранее ученые разработали батарею, которая не боится механических повреждений.