In natürlichen und technischen Lösungen liegen Kationen wie Li+, Mg2+ und K+ häufig koexistent vor. Die zielgerichtete Separation dieser Ionen repräsentiert beispielsweise im Kontext der Rohstoffgewinnung und Matrixaufbereitung eine signifikante analytische und präparative Herausforderung. Forschende des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung sowie der University of Alberta (Kanada) haben eine neuartige Membran entwickelt, deren Ionenselektivität extern über Licht und ein elektrisches Feld moduliert werden kann. Unter optimierten Bedingungen zeigte das System einen Transportsicherheitsfaktor (Lithium gegenüber Magnesium) von über 200 sowie eine Kalium-Magnesium-Selektivität von mehr als 500.
Physikalisch-chemische Grundlagen der Permeation
Der Transport von Ionen durch nanoskalige Poren wird maßgeblich von deren Hydratationshülle (Größe und Gibbs-Energie) sowie elektrostatischen Wechselwirkungen mit der Kanalwand bestimmt. Einwertige Kationen wie Li+ und K+ unterscheiden sich in ihrer Hydratationsdynamik und Ladungsdichte grundlegend von zweiwertigen Spezies wie Mg2+. Das führt zu abweichenden Migrationsgeschwindigkeiten innerhalb konfindierter Nanokanäle. Diesen Effekt macht sich die Trennmethode zunutze.
Hierarchischer Aufbau der Funktionsmembran
Das entwickelte Dreischichtsystem basiert auf anodisiertem Aluminiumoxid (AAO) mit orientierten Nanokanälen als Trägermaterial. Darauf wurde photoaktives Kohlenstoffnitrid als dünne Schicht aufgebracht und abschließend mit einer Poly(ionischen Flüssigkeit) modifiziert, welche die positiv geladene Oberfläche bildet.
Die photoaktive Kohlenstoffnitrid-Komponente erlaubt eine externe Steuerung der Permeationseigenschaften: Unter Inzidenz von Licht und zeitgleicher Anlegung einer elektrischen Vorspannung modifizieren sich die Oberflächenpotenziale innerhalb der geladenen Nanokanäle, wodurch eine selektive Transportkontrolle erreicht wird. „Die Membran funktioniert gewissermaßen wie ein steuerbarer Filter“, sagt Enis Oğuzhan Eren. „Mithilfe von Licht und einem elektrischen Feld können wir beeinflussen, welche Ionen bevorzugt durch die Nanokanäle gelangen dürfen.“
Modulationsabhängige Selektivitätssteigerung
Während die Membran bereits im Grundzustand eine Präferenz für einwertige Kationen aufweist, steigert die simultane Beaufschlagung mit Licht und elektrischer Spannung die Trenneffizienz in komplexen Multi-Ionen-Matrizen drastisch. Es wurden Ionenselektivitäten von 228 für Lithium gegenüber Magnesium und 560 für Kalium gegenüber Magnesium ermittelt.
Implikationen für Trennverfahren und Analytik
Das Experiment belegt, dass der nanoskalige Ionentransport neben statischen Materialeigenschaften dynamisch durch externe Felder gesteuert werden kann. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Ionentransport in nanoskaligen Kanälen dynamisch gesteuert werden kann“, sagt Paolo Giusto. „Dies legt den Grundstein für Membranen, deren Trenneigenschaften durch Lichteinstrahlung beeinflusst werden können.“
Perspektivisch bietet dieses Prinzip breites Anwendungspotenzial für die selektive Fest-Flüssig- beziehungsweise Membran-Extraktion von Zielionen aus komplexen Matrizen. Insbesondere bei der Lithiumgewinnung, bei der störendes Magnesium die Aufreinigung oft erschwert, stellt die lichtgesteuerte Permeation einen vielversprechenden Ansatz dar.
Quelle
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (09/2026)
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