Eine am Helmholtz-Zentrum Hereon mitentwickelte Membrantechnologie transportiert Ionen in Flüssigkeiten, ohne dabei auf chemische Reaktionen zurückzugreifen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht und eröffnen Ansätze für eine energieeffizientere Wasseraufbereitung.
Herkömmliche Verfahren zur Steuerung von Ionenbewegungen in Flüssigkeiten setzen auf energieintensive elektrochemische Reaktionen. Die neue Membran ersetzt diesen Ansatz durch ein rein physikalisches Prinzip: Ultradünne Metallschichten auf beiden Seiten eines porösen Trägers werden durch schnelles Ein- und Ausschalten einer niedrigen elektrischen Spannung in kontrollierte Lade- und Entladeprozesse versetzt, die einen gerichteten Ionenfluss erzeugen. Bewegliche Teile sind dabei nicht erforderlich.
Ionentransport per Wechselspannung reduziert Salzgehalt um die Hälfte
Die Funktionsfähigkeit der Technologie wurde in einem kompakten Entsalzungssystem getestet, das vollständig ohne bewegliche Teile und ohne chemische Reaktionen arbeitet. Im Laborversuch gelang es dem System, den Salzgehalt von Wasser allein durch niedrige elektrische Spannungen um die Hälfte zu senken. Damit unterstreicht die Membran ihr Potenzial für energieeffiziente Wasserreinigung und Entsalzung in einem bislang noch nicht genutzten Wirkungsprinzip.
Das Forschungsteam geht zudem davon aus, dass die Technologie Ionen mit identischer elektrischer Ladung anhand kleinster Unterschiede in ihrem Verhalten im elektrischen Feld voneinander trennen kann. Daraus ergäben sich Anwendungen in der Lithiumgewinnung aus Meerwasser, der Entfernung von Schwermetallen aus Trinkwasser, im Batterierecycling sowie in Diagnose- und Sensortechnologien.
Internationale Kooperation als Grundlage der Studie
Das Projekt vereinte Fachleute aus vier Disziplinen: Chemie, Materialwissenschaften, Elektrotechnik und Biotechnologie. Beteiligt waren Teams der University of California Irvine, der Tel Aviv University, der University of Massachusetts Boston und des Lawrence Berkeley National Laboratory. Prof. Francesca Toma vom Hereon-Institut für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit in Teltow zählt zu jenen, die das Konzept der Studie von Beginn an mitprägten und die Forschung federführend begleiteten.
Toma beschreibt das Ergebnis als Beleg dafür, wie eine früh entwickelte Idee durch disziplinübergreifende Zusammenarbeit über Jahre hinweg zu einem wissenschaftlichen Beitrag mit technologischem Potenzial reifen kann: „Diese Arbeit stellt eine neue Möglichkeit vor, kontinuierlichen Ionentransport in Wasser durch die Nutzung spezieller Mechanismen in nanoporösen Materialien zu ermöglichen. Über die grundlegenden Erkenntnisse hinaus könnte das Konzept neue Wege für energieeffizientere Entsalzung und selektive Ionentrennung eröffnen.“
Finanziert wurde das Projekt durch die National Science Foundation, das US-amerikanische Energieministerium und den Europäischen Forschungsrat.
