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Ionenleitende Holzmembranen

22.07.2021

US-Wissenschaftler haben gewöhnliches Holz mit einem Hydrogel beschichtet und es in ein ionenselektives Material verwandelt. Membranen aus solchem Material lassen nur positiv geladene Ionen durch, die zur Stromerzeugung an der Grenze von Süß- und Salzwasser genutzt werden können. Die Ergebnisse der Studie werden in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht.

Wissenschaftlern der University of Maryland unter der Leitung von Lian Bing Hu (Liangbing Hu) gelang es, ionenselektive Membranen aus einem erschwinglicheren Material herzustellen - Holz. Holz ist ein Verbundwerkstoff, der aus Zellulosefasern in einer Matrix aus dem zäheren Polymer Lignin besteht. Holz hat eine poröse Struktur und aufgrund negativer Ladungen an der Oberfläche sogar teilweise ionenselektive Eigenschaften – es lässt überwiegend positiv geladene Ionen durch. Allerdings sind die Poren von Holz zu groß, und die Ionenselektivität von Holz ist geringer als die von künstlichen Materialien. Außerdem ist Holz ein anisotropes Material, das heißt, seine Eigenschaften sind je nach Richtung sehr unterschiedlich. Die Leitfähigkeit ist bei porösen Querschnitten höher und die Festigkeit bei Längsschnitten höher (und auch die Fläche von Querschnitten ist durch den Durchmesser des Baumes begrenzt, während Längsschnitte eine viel größere Fläche haben können) . Und schließlich ist Holz nicht stabil genug: Bei längerem Kontakt mit Wasser quellen seine Fasern allmählich auf und die Struktur des Materials wird zerstört. Wissenschaftler haben versucht, die Eigenschaften von Holz mit einer Polymer-Hydrogel-Beschichtung zu verbessern.

Das Hydrogel enthält Carboxylgruppen, die in wässrigem Medium ein Proton abgeben und sich in ein negativ geladenes COO-Fragment umwandeln. Indem sie den Baum mit Hydrogel bedeckten, wollten die Wissenschaftler die Dichte negativer Ladungen auf der Oberfläche des Materials erhöhen. Und so geschah es – die Messung des Zeta-Potentials ergab, dass sich die Konzentration negativer Ladungen auf der Materialoberfläche nahezu verdoppelte – von minus 1,49 auf minus 2,53 Millicoulomb pro Quadratmeter. Dadurch erhöhte sich die Ionenleitfähigkeit der Membranen im Vergleich zu unbehandeltem Holz um zwei Größenordnungen. Im Querschnitt war die Leitfähigkeit immer noch höher als im Längsschnitt, aber nicht viel - 1,29 Millisiemens pro Zentimeter im Vergleich zu 0,97 Millisiemens pro Zentimeter. Und Hydrogelzusätze machten die Membranen stärker - die Zugfestigkeit der Längsabschnitte stieg von 16,9 auf 52,7 Megapascal und der Querabschnitte - von 1,8 auf 10,7 Megapascal. Als Grund sehen die Autoren die Bildung zusätzlicher Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Zellulosefasern.

Hinsichtlich des Festigkeits-Leitfähigkeits-Verhältnisses erwiesen sich die neuen Längsmembranen als besser als die meisten bekannten Analoga. Ihr Hauptvorteil ist jedoch der niedrige Preis und die Skalierbarkeit. Holz ist ein kostengünstiger und nachwachsender Werkstoff, und durch Längsschnitte werden Membranen von mehreren Quadratmetern entstehen, die in großem Maßstab zur Energiegewinnung genutzt werden können.

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