Учёные создали мембрану, управляемую светом и электричеством, для разделения ионов

В природных и промышленных растворах часто одновременно присутствуют литий, магний, калий и другие ионы. Их разделение остаётся сложной задачей, особенно при добыче и переработке сырья, так как ионы окружены молекулами воды, образующими гидратную оболочку разного размера и прочности.

Как устроена мембрана

Разработанная мембрана состоит из трёх компонентов. В основе лежит анодированный оксид алюминия с выровненными нанопорами. На него нанесён тонкий слой нитрида углерода — фотоактивного материала. Третий слой образует поли(ионная жидкость), которая создаёт положительно заряженную поверхность мембраны.

Принцип разделения ионов

Монозарядные ионы, такие как литий (Li⁺) и калий (K⁺), несут один положительный заряд, в то время как магний (Mg²⁺) несёт два. Из-за различий в гидратации и взаимодействии с заряженными нанопорами эти ионы движутся с разной скоростью. Исследователи используют эту разницу для разделения одно- и двухзарядных ионов.

Результаты экспериментов

Без внешних воздействий мембрана уже показывала предпочтение к монозарядным ионам. Однако при одновременном воздействии света и электрического напряжения селективность мембраны значительно возросла. В сложных многоионных растворах мембрана пропускала литий примерно в 228 раз охотнее, чем магний, а калий — в 560 раз охотнее, чем магний.

Управление процессом

Нитрид углерода позволяет влиять на транспорт ионов извне. Когда мембрана освещается одновременно с приложением электрического смещения, условия внутри заряженных нанопор изменяются. Это даёт возможность контролировать, какие ионы преимущественно проходят через мембрану. Как пояснил первый автор исследования Энис Оглузхан Ерен, мембрана функционирует как управляемый фильтр.

Практическое применение

В долгосрочной перспективе этот принцип может быть полезен для приложений, требующих разделения определённых ионов из сложных растворов. К ним относятся процессы обработки и восстановления сырья. Разделение лития и магния особенно актуально для добычи лития, так как магний может осложнять процесс при обработке литийсодержащих растворов.

Значение открытия

Результаты показывают, что транспорт ионов через нанопорные каналы можно динамически контролировать не только благодаря химическому составу и структуре материала. Свет и электрическое напряжение способны изменять взаимодействия внутри каналов и регулировать транспорт различных ионов. Это закладывает основу для мембран, чьи разделительные свойства можно изменять с помощью светового облучения.

Это данные исследования, опубликованного в журнале Angewandte Chemie International Edition, а не медицинский или технический совет.