Identifying intercalation electrodes for electrochemical ion recovery and desalination

Zoet water wordt een schaarser middel naarmate de zeespiegel stijgt en menselijke activiteiten het zoutgehalte van rivieren en meren verhogen. Hoewel het verwijderen van zout uit zeewater om drinkbaar water te maken een bekende uitdaging is, herbergen de oceanen ook een schatkist aan waardevolle mineralen zoals lithium, magnesium en calcium. Het extraheren van deze specifieke elementen uit hetzelfde water dat we willen zuiveren, vormt een uniek technisch probleem. Traditionele methoden voor het zuiveren van water, zoals het persen van het water door fijne membranen, zijn effectief in het verwijderen van alle zouten, maar kunnen geen onderscheid maken tussen een nuttig mineraal en een nutteloos mineraal. Omgekeerd hebben methoden die zijn ontworpen om één specifiek mineraal eruit te halen, vaak moeite om efficiënt te werken in de complexe, zoute omgeving van de oceaan. De oplossing ligt in het vinden van materialen die kunnen fungeren als selectieve sponsjes, die alleen de ionen opzuigen die we willen, terwijl de rest achterblijft, of omgekeerd, alles opzuigen om puur water achter te laten.

Om dit op te lossen, richtten onderzoekers zich op een klasse materialen die bekend staan als intercalatie-elektroden. Dit zijn vaste structuren met piepkleine, lege ruimtes binnen hun kristalroosters, vergelijkbaar met een honingraat met ontbrekende cellen. Wanneer deze in water worden geplaatst en verbonden met een stroombron, kunnen deze materialen geladen atomen, of ionen, uit de vloeistof trekken en ze veilig vastleggen in die lege ruimtes. Dit proces is hetzelfde mechanisme waarmee lithium-ion batterijen energie opslaan, maar hier is het doel niet om elektriciteit op te slaan, maar om specifieke atomen uit water te oogsten. De uitdaging is dat de materialen die momenteel voor dit doel worden gebruikt, zoals bepaalde ijzer- en mangaanverbindingen, vaak afbreken of oplossen wanneer ze worden blootgesteld aan de harde, zoute omstandigheden van zeewater. Ze zijn ofwel te traag in hun werking of simpelweg onstabiel in de loop van de tijd.

In een nieuwe studie besloot een team wetenschappers om betere materialen te vinden door duizenden mogelijkheden te onderzoeken die nog nooit in een laboratorium zijn getest. Ze mengden geen chemicaliën in een bekerglas; in plaats daarvan gebruikten ze krachtige computers om te simuleren hoe verschillende kristalstructuren zich zouden gedragen in zeewater. Ze begonnen met een enorme digitale bibliotheek die meer dan 20.000 verschillende chemische structuren bevat die lithium, natrium, kalium, magnesium of calcium bevatten. Met behulp van een methode genaamd dichtheidsfunctionaaltheorie, die de energie van atomen en elektronen berekent, modelleerden ze hoe elke structuur zou reageren wanneer deze ondergedompeld werd in water met de specifieke chemische samenstelling van de oceaan.

De onderzoekers moesten rekening houden met het feit dat zeewater niet alleen water en zout is; het is een complexe soep van ionen die veel materialen kunnen aanvallen en oplossen. Ze bouwden gedetailleerde kaarten, bekend als Pourbaix-diagrammen, die precies laten zien welke combinaties van zuurgraad en elektrische spanning ervoor zorgen dat een materiaal solide en stabiel blijft. Ze pasten deze kaarten aan om de specifieke ionen te bevatten die in zeewater voorkomen, zoals chloride en sulfaat, die in standaardtests vaak worden genegeerd. Vervolgens hanteerden ze een strikte set regels: een materiaal moest stabiel blijven in zeewater, in staat zijn om de gevangen ionen vast te houden zonder uit elkaar te vallen, en dat doen bij een elektrisch voltage dat veilig en praktisch is. Ze keken ook naar materialen die selectief konden zijn, wat betekent dat ze slechts één type ion oppakken, of niet-selectief, wat betekent dat ze er vele tegelijk oppakken.

Na het draaien van deze simulaties kromp het aantal levensvatbare kandidaten drastisch. Van de initiële 20.414 structuren slaagde slechts een handvol voor elke test. Het team identificeerde 11 veelbelovende materialen die fungeren als selectieve sponsjes voor specifieke ionen. Zo vonden ze een materiaal genaamd ijzermolybdaat dat zeer effectief is in het grijpen van lithium, een cruciaal element voor batterijen, terwijl het andere ionen negeert. Ze vonden ook andere structuren die selectief magnesium, calcium, natrium of kalium kunnen opvangen. Deze bevindingen zijn significant omdat ze een lijst bieden van specifieke chemische recepten die experimenteel onderzoekers nu in de echte wereld kunnen proberen te bouwen en te testen. Sommige van deze materialen staan al bekend als bestaand, terwijl anderen volledig nieuwe theoretische ontdeksten zijn die de computer suggereert dat zouden moeten werken.

De studie onderzocht ook materialen die als algemene sponsjes voor ontzilting kunnen dienen, door alle ongewenste ionen te verwijderen om schoon water achter te laten. De onderzoekers ontdekten dat een veelvoorkomend materiaal genaamd ijzerfosfaat-olivien de beste kandidaat is voor deze taak, in staat om vier verschillende soorten ionen gelijktijdig op te vangen. Ze sloten echter expliciet enkele andere materialen uit die momenteel in onderzoek worden gebruikt, zoals bepaalde mangaanverbindingen. Hun simulaties toonden aan dat deze mangaanmaterialen zouden oplossen in zeewater, waardoor ze ongeschikt zijn voor langdurig gebruik. Dit onderscheid is cruciaal, omdat het wetenschappers voorkomt tijd te verspillen aan het verbeteren van materialen die fundamenteel onstabiel zijn in de oceaanomgeving.

De onderzoekers merkten ook op dat hun lijst sterk wordt beïnvloed door de gegevens die beschikbaar zijn in hun digitale bibliotheek. Omdat er veel meer onderzoek is gedaan naar lithium voor batterijen, zijn er meer lithiumhoudende structuren in de database aanwezig, wat verklaart waarom de definitieve lijst veel lithium-selectieve kandidaten bevat. Ze erkenden dat hun computermodellen gebaseerd zijn op ideale omstandigheden en nog geen rekening houden met hoe snel ionen door het materiaal bewegen of hoe het materiaal over jaren van gebruik kan degraderen. Desondanks biedt de studie een robuuste, thermodynamische routekaart. Het vertelt ons welke materialen stabiel genoeg zijn om in de oceaan te bestaan en welke waarschijnlijk zullen falen, wat een duidelijk startpunt biedt voor de ontwikkeling van de volgende generatie technologie om hulpbronnen te oogsten en ons water te zuiveren.