Die Kontrolle der Bewegung von Ionen in Flüssigkeiten ist entscheidend für viele technische und biologische Prozesse. Herkömmliche Methoden beruhen meist auf energieintensiven elektrochemischen Reaktionen. Die neu entwickelte Membran bietet eine Alternative: Sie verfügt über circa 50 nm dünne Metallschichten aus Gold oder Platin auf beiden Seiten eines porösen Trägers, wie Prof. Francesca Toma, Leiterin des Hereon-Instituts für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit in Teltow und ebenfalls am Berkeley Lab tätig, auf Anfrage unserer Redaktion mitteilte. Einige Proben hatten noch eine 5nm dicke Adhäsionsschicht aus Chrom oder Titan. Die Schichten wurden mittels thermischem Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen oder Magnetronsputtern aufgebracht.
Wird eine niedrige elektrische Spannung schnell ein- und ausgeschaltet, durchlaufen die Metalloberflächen Lade- und Entladeprozesse,. Dabei erzeugen sie einen kontrollierten Ionenfluss. Dies ist das erste Mal, dass ein solcher Effekt für den Ionentransport genutzt wurde.
Durchbruch in der Wasserentsalzung
Um das praktische Potenzial zu demonstrieren, integrierte das Forschungsteam die Membran in ein Entsalzungssystem, das ohne bewegliche Teile oder chemische Reaktionen arbeitet. In Labortests konnte das System den Salzgehalt von Wasser mithilfe sehr niedriger elektrischer Spannungen um die Hälfte reduzieren. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial der Membran für die Entwicklung energieeffizienter Anwendungen zur Wasserreinigung und Entsalzung.
Die Forscher erwarten zudem, dass die Technik Ionen mit identischer elektrischer Ladung anhand kleiner Unterschiede in ihrem Verhalten im elektrischen Feld unterscheiden kann. Dies könnte neue Ansätze ermöglichen – etwa für die Gewinnung von Lithium aus Meerwasser, die Entfernung von Schwermetallen aus Trinkwasser, Batterierecycling sowie Diagnose- oder Sensortechnik der nächsten Generation.
Starke internationale Zusammenarbeit
Das Projekt vereinte Experten aus Chemie, Materialwissenschaften, Elektrotechnik und Biotechnologie der University of California, Irvine, der Tel Aviv University, der University of Massachusetts Boston sowie des Lawrence Berkeley National Laboratory. „Diese Arbeit stellt eine neue Möglichkeit vor, kontinuierlichen Ionentransport in Wasser durch die Nutzung spezieller Mechanismen in nanoporsen Materialien zu ermöglichen. Über die grundlegenden Erkenntnisse hinaus könnte das Konzept neue Wege für energieeffizientere Entsalzung und selektive Ionentrennung eröffnen. Es ist besonders faszinierend zu sehen, wie eine Idee, die vor Jahren entwickelt wurde, durch internationale Zusammenarbeit und Ausdauer zu einem wirkungsvollen wissenschaftlichen Beitrag mit technischem Potenzial heranwuchs“, sagt Toma zu den Forschungsergebnissen.
Die Arbeit wurde von mehreren Forschungsförderinstitutionen unterstützt, darunter die National Science Foundation, das US-amerikanische Energieministerium und der Europäische Forschungsrat.