Az ionelválasztás kulcsfontosságú szerepet játszik számos ipari folyamatban, a tengervíz sótalanításától kezdve a hulladékból történő értékes anyagok visszanyeréséig. Azonban a hagyományos módszerek gyakran túl költségesek és hatástalanok a komplex, többionos környezetekben, így sok értékes ion kárba vész. Egy új kutatási irány azonban ígéretes megoldást kínál: az MXene membránok, amelyek egy új generációs, vízkedvelő, magas elektromos vezetőképességű, egyrétegű anyagokból álló osztályt képviselnek.
Mi az az MXene és miért különleges?
Az MXenek (kiejtve: Maxines) egy viszonylag új anyagcsoport, amelyeket mechanikai és légi közlekedési mérnöki területen is kutatnak. Ezek az anyagok egyedülálló tulajdonságokkal rendelkeznek: egyszerre hidrofílikusak (vízkedvelők) és elektromosan vezetők. Ez a kombináció lehetővé teszi, hogy kiválóan alkalmasak legyenek ionok és más vegyületek szétválasztására bonyolult oldatokból.
Kelsey Hatzell laboratóriumának áttörései
Kelsey Hatzell, a mechanikai és légi közlekedési mérnöki tanszék docense, valamint az Andlinger Energia- és Környezetvédelmi Központ kutatója vezetésével végzett vizsgálatok során az MXene membránok teljesítményét tanulmányozták olyan oldatokban, amelyek valós ipari környezeteket modelleznek. A kutatók bebizonyították, hogy mikroszkopikus szinten finomhangolhatóak ezek az anyagok, így optimalizálható a membránok szerkezete és működése.
Az AMEWS központ szerepe és együttműködések
A kutatások az Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Központ keretében zajlanak, amelyet az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma támogat. Az AMEWS célja a víz-szilárd felületek közötti kölcsönhatások megértése és szabályozása. A központ együttműködik az Argonne Nemzeti Laboratóriummal, a Chicagói Egyetemmel, a Northwestern Egyetemmel és a Princeton Egyetemmel.
Többionos oldatok kihívásai az ionelválasztásban
Egyik jelentős tanulmányukban Hatzell és csapata azt vizsgálta, hogyan viselkednek az MXene membránok többféle ion jelenlétében – ez közelebb áll a valós ipari körülményekhez, mint az egyionos rendszerek.
A kémiai és biológiai mérnöki doktori hallgató Austin Booth vezetésével végzett kutatás kimutatta, hogy a nátrium-, lítium- és kalciumionok lassabban haladnak át a membránokon többionos oldatokban, mint külön-külön. Ez arra utal, hogy az ionok versengenek egymással a membrán csatornáiért.
- Kalciumionok: nagyobb méretük és erősebb pozitív töltésük miatt előnyben részesítik a membrán csatornáit, ezzel blokkolva más kisebb ionokat.
- Nátrium- és lítiumionok: amikor együtt vannak jelen, a nátriumionok akadályozzák a lítiumionok áthaladását.
„Eredményeink segíthetnek új membrántervek kidolgozásában, amelyek hatékonyabban választják szét az ionokat komplex oldatokból,” mondta Booth. Emellett hangsúlyozta a valós körülmények között történő tesztelés fontosságát is.
Szerkezeti finomhangolás: víztartalom szabályozása céziumionokkal
A kutatócsoport másik tanulmányában azt vizsgálták, hogyan befolyásolja a membrán víztartalma annak teljesítményét. Céziumionokat helyeztek be az MXene rétegek közé, amelyek gyengítik a vízmolekulák közötti gyenge kölcsönhatásokat. Ennek eredményeként csökkent a membrán víztartalma, ami szűkebb csatornákat és kevesebb hibát eredményezett.
Ezzel nőtt például a lítiumionokra vonatkozó szelektivitás – vagyis pontosabban tudták kiválasztani ezt az iont más jelenlévő ionok között.
Yaguang Zhu, Hatzell csoportjának posztdoktori kutatója elmondta: „A víz nem csupán passzív komponens; jelenléte és mennyisége alapvetően alakítja át a membrán szerkezetét és működését.”
A jövő technológiája: mikroszkopikus szerkezetvezérlés
A két tanulmány egyaránt rámutat arra, hogy milyen fontos szerepet játszanak a mikro- és mezoszkopikus tulajdonságok egy-egy membrán teljesítményében. Bár eddig főként makroszkopikus jellemzőket vizsgáltak, ezek finomhangolása kulcsfontosságú lehet bonyolultabb környezetekben való alkalmazáshoz.
„A membrántudomány eddig főként tömegjellegű tulajdonságokra koncentrált, de ha egzotikusabb környezetekhez akarunk anyagokat tervezni, akkor a helyi mikro-környezet szabja meg nagyrészt az elválasztási folyamatokat,” mondta Hatzell.
Új karakterizációs módszerek – más tudományterületekről merítve
A kutatócsoport egy friss áttekintő cikkben bemutatta azokat az innovatív karakterizációs technikákat is, amelyek segíthetnek feltárni a membránrendszerek viselkedését különböző méretarányokon. Ezek egy része más területekről – például akkumulátor-kutatásból – származik, de szükség lesz új módszerek kidolgozására is.
Kitekintés: multidiszciplináris együttműködés előmozdítja a fejlődést
Kelsey Hatzell kiemelte: „Az AMEWS lehetőséget adott arra, hogy kritikusan átgondoljuk kérdéseinket és hozzáférjünk multidiszciplináris együttműködésekhez. Világszínvonalú kutatókkal dolgozhattunk együtt olyan fontos kérdések megválaszolásában, amelyek előrelendítik ezt a területet.”
A publikációk áttekintése
- „Coordinated cation transport in Ti3C2Tx MXene membranes”, ACS Applied Materials & Interfaces (2025 június) – szerzők: Hatzell, Booth, Xiong Qinsi, Jeon Woo Cheol, Schatz George (Northwestern University).
- „Water content modulation enables selective ion transport in 2D MXene membranes”, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025 július) – szerzők: Hatzell, Zhu Yaguang; Xiong Qinsi; Jeon Woo Cheol; Schatz George; Blum Monika (Lawrence Berkeley National Laboratory); Camino Fernando (Brookhaven National Laboratory).
- „From molecules to modules: Advanced characterization of membrane systems”, Advanced Materials (2025 szeptember) – szerzők: Hatzell, Zhu Yaguang; Booth Austin; Eatman Jamila; Kim Min A; Liu Yining; Darling Seth (University of Chicago & Argonne National Laboratory); Sarkar Bidushi; Yue Xiaolin; Amanchukwu Chibueze; Liu Chong (University of Chicago); Sengupta Bratin (Northwestern University & Argonne National Laboratory); Elam Jeffrey; Fenter Paul (Argonne National Laboratory).
Támogatás
A kutatásokat az Advanced Materials for Energy-Water Systems Center támogatta – egy olyan Energy Frontier Research Center program keretében, amelyet az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma finanszíroz.