Identifying intercalation electrodes for electrochemical ion recovery and desalination

Süßwasser wird zu einer immer knapper werdenden Ressource, während der Meeresspiegel steigt und menschliche Aktivitäten den Salzgehalt von Flüssen und Seen erhöhen. Während die Entfernung von Salz aus Meerwasser zur Gewinnung von Trinkwasser eine bekannte Herausforderung darstellt, bergen die Ozeane auch einen wertvollen Schatz an nützlichen Mineralien wie Lithium, Magnesium und Kalzium. Die Extraktion dieser spezifischen Elemente aus demselben Wasser, das wir reinigen wollen, stellt ein einzigartiges technisches Problem dar. Traditionelle Methoden zur Wasserreinigung, wie etwa das Pressen des Wassers durch feine Membranen, sind effektiv bei der Entfernung aller Salze, können aber nicht zwischen einem nützlichen Mineral und einem nutzlosen unterscheiden. Umgekehrt haben Methoden, die darauf ausgelegt sind, ein einzelnes Mineral herauszuziehen, oft Schwierigkeiten, in der komplexen, salzhaltigen Umgebung des Ozeans effizient zu arbeiten. Die Lösung liegt im Finden von Materialien, die wie selektive Schwämme wirken können, die nur die Ionen aufsaugen, die wir wollen, während sie den Rest zurücklassen, oder umgekehrt, die alles aufsaugen, um reines Wasser zu hinterlassen.

Um dies zu lösen, wandten sich Forscher einer Klasse von Materialien zu, die als Interkalationselektroden bekannt sind. Dies sind feste Strukturen mit winzigen, leeren Räumen in ihren Kristallgittern, vergleichbar mit einer Honigwabe mit fehlenden Zellen. Wenn diese Materialien in Wasser platziert und an eine Stromquelle angeschlossen werden, können sie geladene Atome, oder Ionen, aus der Flüssigkeit ziehen und sicher in jenen leeren Räumen einschließen. Dieser Prozess ist derselbe Mechanismus, der es Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht, Energie zu speichern, aber hier ist das Ziel nicht die Speicherung von Elektrizität, sondern die Ernte spezifischer Atome aus dem Wasser. Die Herausforderung besteht darin, dass die Materialien, die derzeit für diesen Zweck verwendet werden, wie etwa bestimmte Eisen- und Manganverbindungen, unter den harschen, salzhaltigen Bedingungen des Meerwassers oft zerfallen oder sich auflösen. Sie arbeiten entweder zu langsam oder sind schlichtweg über die Zeit hinweg instabil.

In einer neuen Studie setzte sich ein Team von Wissenschaftlern zum Ziel, bessere Materialien zu finden, indem sie tausende Möglichkeiten untersuchten, die noch nie im Labor getestet wurden. Sie mischten keine Chemikalien in einem Becherglas; stattdessen nutzten sie leistungsstarke Computer, um zu simulieren, wie sich verschiedene Kristallstrukturen im Meerwasser verhalten würden. Sie begannen mit einer massiven digitalen Bibliothek, die über 20.000 verschiedene chemische Strukturen enthält, welche Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium oder Kalzium enthalten. Miths einer Methode namens Dichtefunktionaltheorie, welche die Energie von Atomen und Elektronen berechnet, modellierten sie, wie jede Struktur reagieren würde, wenn sie in Wasser mit der spezifischen chemischen Zusammensetzung des Ozeans getaucht wird.

Die Forscher mussten berücksichtigen, dass Meerwasser nicht nur Wasser und Salz ist; es ist eine komplexe Suppe aus Ionen, die viele Materialien angreifen und auflösen kann. Sie erstellten detaillierte Karten, bekannt als Pourbaix-Diagramme, die genau zeigen, welche Kombinationen von Säuregrad und elektrischer Spannung es einem Material ermöglichen, fest und stabil zu bleiben. Sie passten diese Karten an, um die spezifischen Ionen einzubeziehen, die im Meerwasser vorkommen, wie Chlorid und Sulfat, die in Standardtests oft ignoriert werden. Dann wandten sie eine strenge Menge an Regeln an: Ein Material musste im Meerwasser stabil bleiben, in der Lage sein, die eingefangenen Ionen festzuhalten, ohne auseinanderzufallen, und dies bei einer elektrischen Spannung tun, die sicher und praktikabel ist. Sie suchten auch nach Materialien, die selektiv sein konnten – das heißt, sie würden nur eine Art von Ion aufnehmen – oder nicht-selektiv, was bedeutete, dass sie viele Arten gleichzeitig aufnehmen würden.

Nachdem sie die Simulationen durchgeführt hatten, schrumpfte die Zahl der lebensfähigen Kandidaten drastisch. Von den anfänglichen 20.414 Strukturen bestand nur eine Handvoll, die jeden Test bestand. Das Team identifizierte 11 vielversprechende Materialien, die als selektive Schwämme für spezifische Ionen fungieren. So fanden sie beispielsweise ein Material namens Eisenmolybdat, das hocheffektiv beim Einfangen von Lithium ist – einem kritischen Element für Batterien – während es andere Ionen ignoriert. Sie fanden auch andere Strukturen, die selektiv Magnesium, Kalzium, Natrium oder Kalium erfassen können. Diese Erkenntnisse sind bedeutend, da sie eine Liste spezifischer chemischer Rezepte bieten, die Experimentatoren nun nutzen können, um sie in der realen Welt aufzubauen und zu testen. Einige dieser Materialien sind bereits bekannt, während andere völlig neue theoretische Entdeckungen sind, von denen der Computer suggeriert, dass sie funktionieren sollten.

Die Studie untersuchte auch Materialien, die als allgemeine Schwämme für die Entsalzung dienen könnten, indem sie alle unerwünschten Ionen entfernen, um sauberes Wasser zu hinterlassen. Die Forscher fanden heraus, dass ein gängiges Material namens Eisen-Olivin-Phosphat der beste Kandidat für diese Aufgabe ist, da es in der Lage ist, vier verschiedene Arten von Ionen gleichzeitig einzufangen. Sie schlossen jedoch explizit mehrere andere Materialien aus, die derzeit in der Forschung verwendet werden, wie etwa bestimmte manganbasierte Verbindungen. Ihre Simulationen zeigten, dass diese Manganmaterialien im Meerwasser sich auflösen würden, was sie für den langfristigen Einsatz ungeeignet macht. Diese Unterscheidung ist entscheidend, da sie Wissenschaftler davor bewahrt, Zeit mit der Verbesserung von Materialien zu verschwenden, die in der Meeresumgebung fundamental instabil sind.

Die Forscher merkten auch an, dass ihre Liste stark von den Daten beeinflusst wird, die in ihrer digitalen Bibliothek verfügbar sind. Da wesentlich mehr Forschung zu Lithium für Batterien betrieben wurde, gibt es mehr lithiumhaltige Strukturen in der Datenbank, wesenskraft, warum die finale Liste viele lithiumselektive Kandidaten enthält. Sie räumten ein, dass ihre Computermodelle auf idealen Bedingungen basieren und noch nicht berücksichtigen, wie schnell sich Ionen durch das Material bewegen oder wie das Material über Jahre hinweg degradieren könnte. Dennoch bietet die Studie eine robuste, thermodynamische Roadmap. Sie sagt uns, welche Materialien stabil genug sind, um im Ozean zu existieren, und welche wahrscheinlich versagen werden, und bietet somit einen klaren Ausgangspunkt für die Entwicklung der nächsten Generation von Technologien zur Ernte von Ressourcen und zur Reinigung unseres Wassers.