Génération de membranes par polymérisation électrochimique, ou électropolymérisation, pourrait fournir une voie simple et rentable pour aider diverses industries à respecter des réglementations environnementales de plus en plus strictes et à réduire la consommation d'énergie.

Des chercheurs de KAUST ont produit des membranes avec des pores microscopiques bien définis en déposant électrochimiquement des polymères organiques conjugués sur des électrodes très poreuses. Ces membranes microporeuses ont de nombreuses applications, allant de la nanofiltration de solvant organique aux technologies de transport moléculaire sélectif.

Une séparation performante repose sur des membranes robustes avec des structures microporeuses bien ordonnées et denses, tels que les zéolites et les charpentes organiques métalliques. Contrairement à ces matériaux de pointe, les polymères conventionnels produisent des membranes avec les pores minuscules souhaités grâce à des processus bon marché et évolutifs, mais leur architecture amorphe et leur faible porosité les rendent moins efficaces.

Les polymères microporeux conjugués ont montré un potentiel pour les membranes à base de polymère avec des performances améliorées. Ces polymères stables aux solvants forment des réseaux réticulés avec des tailles de pores uniformes et une surface spécifique élevée lorsqu'ils sont créés par électropolymérisation, une méthode relativement simple qui repose sur des monomères électroactifs. L'inconvénient, cependant, est que les membranes produites sont trop fragiles pour résister aux séparations sous pression. L'équipe KAUST, dirigé par Zhiping Lai, a cherché une nouvelle approche pour fabriquer une membrane robuste.

S'inspirant de la soie d'araignée, qui tire sa résistance et sa ductilité exceptionnelles de sa structure skin-core, l'équipe a développé une approche d'électropolymérisation pour faire croître le polymère conjugué polycarbazole à l'intérieur du réseau poreux d'une électrode1. Ils ont dispersé des monomères de carbazole électroactifs dans la solution d'électrolyte d'une cellule électrochimique et ont oxydé les monomères sous tension appliquée pour revêtir l'électrode avec le film polymère. L'électrode était constituée de nanostructures tubulaires à base de carbone qui servaient d'échafaudage robuste et poreux pour la membrane.

La membrane a montré un transport de solvant plus rapide que la plupart des systèmes existants en raison de sa surface spécifique élevée et de sa grande affinité pour les solvants organiques. Il a également séparé les molécules de colorant dans une étroite différence de poids moléculaire. "Ce tamisage moléculaire étroit est attribué à la taille uniforme des pores, " dit le doctorant Zongyao Zhou.

Une approche similaire basée sur l'électropolymérisation, inspirée cette fois par le rôle protecteur de la peau humaine, a été utilisée par une autre équipe dirigée par Lai pour empêcher la décomposition de la cathode dans les batteries lithium-soufre2. Respectueux de l'environnement et pas cher, ces batteries rechargeables ont le potentiel de stocker plus d'énergie que leurs homologues lithium-ion omniprésentes, ce qui pourrait les rendre utiles pour les voitures électriques, drones et autres appareils électroniques portables. Cependant, leur cathode de soufre forme des composés appelés polysulfures qui se dissolvent facilement dans l'électrolyte pendant la décharge. Ces composés solubles peuvent faire la navette entre la cathode et l'anode, provoquant une perte de capacité permanente et dégradant l'anode de lithium métallique.

Tentatives antérieures pour empêcher la dissolution du polysulfure, telles que la capture et l'ancrage des composés à la cathode, ont eu un succès limité. "Nous avons pensé que la croissance d'une peau artificielle pour la cathode de soufre aiderait à arrêter les fuites de polysulfure de la cathode, " dit Dong Guo, étudiant au doctorat.

Les chercheurs ont synthétisé une autre membrane en polycarbazole qui se conforme à la surface de la cathode sous tension appliquée. Cette nanopeau présente de minuscules pores uniformes qui bloquent la diffusion du polysulfure mais facilitent le transport rapide des ions lithium, ce qui améliore l'utilisation du soufre et la densité énergétique de la batterie.

L'équipe prévoit d'évaluer le processus d'électropolymérisation dans d'autres systèmes d'électrodes. La nanoskin est prometteuse pour les batteries organiques, dans lequel la dissolution des molécules organiques redox-actives est plutôt difficile, dit Lai.