Учёные создали мембраны с нанотрубками для сверхбыстрого переноса ионов лития и технологий чистой энергии
Исследователи из Университета Иллинойса в Чикаго разработали новый класс мембран на основе нанотрубок, которые обеспечивают исключительно быстрый перенос ионов лития. Работа показала, что такие структуры могут значительно превосходить существующие представления о скорости ионного транспорта и открывают перспективы для применения в энергетике и технологиях разделения веществ.
Согласно опубликованному исследованию в журнале Nature Nanotechnology, микроскопические нанотрубки из нитрида бора способны проводить ионы лития через свои каналы со скоростью, которая намного выше ожидаемой. При этом они демонстрируют высокую избирательность, пропуская литий и одновременно блокируя значительную часть других ионов.
Такие свойства позволяют рассматривать нанотрубки как перспективную платформу для технологий следующего поколения, связанных с разделением веществ. Среди возможных применений называются системы получения чистой энергии, включая так называемую «голубую энергию», которая возникает при смешении пресной и солёной воды, а также более эффективные методы извлечения лития, необходимого для производства аккумуляторов.
По словам Сангила Кима, доцента кафедры химической инженерии Университета Иллинойса в Чикаго и одного из авторов работы, обнаруженный механизм переноса ионов позволяет им двигаться через нанотрубки с чрезвычайно высокой скоростью. Он отметил, что экспериментальные результаты значительно превзошли как теоретические расчёты, так и данные предыдущих исследований, что указывает на необычную эффективность новой системы.
Перенос ионов играет ключевую роль в широком спектре промышленных технологий. При растворении солей в воде они распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы, которые перемещаются через наноканалы с разной скоростью. Контроль этого процесса важен для развития аккумуляторов, систем опреснения воды, добычи критически важных минералов и получения возобновляемой энергии.
Однако достижение одновременно высокой скорости и высокой селективности переноса ионов остаётся одной из главных инженерных задач. В данном исследовании учёные создали мембраны, содержащие миллионы нанотрубок из нитрида бора, обладающих электрически заряженной поверхностью и необычными транспортными свойствами. Когда мембраны помещали между растворами с разной концентрацией соли, ионы начинали проходить через них значительно быстрее, чем ожидалось.
Особенно выделились ионы лития: их скорость прохождения оказалась примерно в 31 раз выше теоретических прогнозов. Кроме того, система показала высокую избирательность, позволяя литию двигаться значительно быстрее по сравнению с другими ионами.
Чтобы продемонстрировать практический потенциал технологии, исследователи показали, что такие мембраны могут генерировать достаточно энергии из солевых растворов для питания простых устройств. В эксперименте удалось запитать часы и калькулятор.
Идея получения электричества за счёт движения ионов не нова. В природе аналогичный принцип используют электрические угри, которые генерируют электрические импульсы, управляя потоком ионов через специализированные клетки — электроциты. Эти клетки превращают химические градиенты в электрическую энергию, и именно этот природный механизм вдохновил разработку подобных искусственных систем.
В дальнейшем исследователи планируют изучить дополнительные применения технологии, включая извлечение лития из отработанных аккумуляторов. Также учёные намерены глубже исследовать физику процесса, чтобы понять причины столь необычно высокой скорости ионного переноса в нанотрубках.
Исследование в журнале Nature Nanotechnology.