Licht steuert die Trennung von Ionen

Mit einer neu entwickelten Membran kann die Durchlässigkeit für Ionen mithilfe von Licht und elektrischer Spannung beeinflusst werden

Auf den Punkt gebracht

• Ionentrennung: Forschende haben eine Membran entwickelt, die Ionen wie Lithium und Magnesium mithilfe von Licht und elektrischer Spannung trennt. Die Membran besteht aus drei Schichten mit Nanokanälen, einer photoaktiven Kohlenstoffnitridschicht und einer positiv geladenen polyionischen Flüssigkeit, die zusammen den Ionentransport steuern.
• Selektivität: Ohne Reize trennt die Membran vor allem einwertige Ionen wie Lithium. Durch Lichtbestrahlung und Spannung steigt die Trennleistung von ein- und zweiwertigen Ionen stark an.
• Anwendungen: Die Technologie könnte helfen, Lithium effizient von Magnesium zu trennen, was wichtig für die Rohstoffaufbereitung und Lithiumgewinnung ist.

Lithium, Magnesium, Kalium und viele andere Ionen kommen in natürlichen und technischen Lösungen meist gemeinsam vor. Sie gezielt voneinander zu trennen, ist beispielsweise bei der Gewinnung und Aufbereitung von Rohstoffen eine Herausforderung.

Forschende des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung und der University of Alberta in Kanada haben nun eine Membran entwickelt, deren Fähigkeit zur Ionentrennung mithilfe von Licht und einem elektrischen Feld moduliert werden kann. Unter den untersuchten Bedingungen transportierte die Membran Lithium mehr als 200-mal bevorzugter als Magnesium. Bei Kalium lag dieses Verhältnis bei über 500. 

Wie sich Ionen durch die Membran bewegen

Membranen enthalten winzige Kanäle, durch die bestimmte Ionen leichter passieren können als andere. In komplexen Systemen wie Salzlösungen ist die Ionentrennung jedoch schwieriger. Ionen sind von Wassermolekülen umgeben, die eine sogenannte Hydratationshülle bilden, deren Größe und Stärke je nach Ion variieren. Diese Unterschiede beeinflussen stark, wie leicht einzelne Ionen durch enge Kanäle im Nanobereich gelangen können.

Einwertige Ionen wie Lithium (Li⁺) oder Kalium (K⁺) tragen eine einzige positive Ladung, während Magnesium (Mg²⁺) zwei positive Ladungen trägt. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Hydratation und ihrer Wechselwirkungen mit den geladenen Nanokanälen bewegen sich die Ionen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Forschenden nutzen diesen Unterschied, um ein- und zweiwertige Ionen voneinander zu trennen.

Eine mehrschichtige Membran

Die Forschungsgruppe entwickelte eine hierarchisch strukturierte Membran, die aus drei Komponenten besteht. Als Substrat dient anodisiertes Aluminiumoxid mit ausgerichteten Nanokanälen. Darauf befindet sich eine dünne Schicht aus Kohlenstoffnitrid, die die photoaktive Komponente darstellt. Die dritte Schicht besteht aus einer polyionischen Flüssigkeit, die auf die Kohlenstoffnitridschicht aufgebracht wird und die positiv geladene Oberfläche der Membran bildet.

Das Kohlenstoffnitrid ermöglicht es, den Ionentransport von außen zu beeinflussen. Durch Bestrahlung der Membran bei gleichzeitiger Anlegung einer elektrischen Vorspannung ändern sich die elektrischen Bedingungen in den geladenen Nanokanälen. Dadurch lässt sich steuern, welche Ionen die Membran passieren dürfen. „Die Membran funktioniert gewissermaßen wie ein steuerbarer Filter“, sagt Enis Oğuzhan Eren, Erstautor der Studie. „Mithilfe von Licht und einem elektrischen Feld können wir beeinflussen, welche Ionen bevorzugt durch die Nanokanäle gelangen dürfen.“

Licht verstärkt die Ionentrennung

Die Forschenden untersuchten das Ausmaß dieses Effekts unter anderem anhand von Lithium- und Magnesiumionen. Auch ohne äußere Reize zeigte die Membran eine Präferenz für einwertige Ionen gegenüber zweiwertigen.

Durch die Kombination von Lichtbestrahlung mit einer angelegten Spannung wurde die Ionenselektivität deutlich verstärkt und erreichte in komplexen Mehrionenlösungen einen Wert von etwa 228 für Lithium gegenüber Magnesium und 560 für Kalium gegenüber Magnesium.

Ein Prinzip für den steuerbaren Ionentransport

Die Ergebnisse zeigen, dass der Transport von Ionen durch nanoskalige Membranen nicht nur durch die chemische Zusammensetzung und Struktur des Materials beeinflusst werden kann. Auch Licht und elektrische Spannung lassen sich nutzen, um die Wechselwirkungen innerhalb der Kanäle zu verändern und so den Transport verschiedener Ionen gezielt zu steuern. „Der Ionentransport kann in nanoskaligen Kanälen dynamisch gesteuert werden“, sagt Paolo Giusto, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung und Projektleiter des bilateralen Kooperationsprojekts. „Dies legt den Grundstein für Membranen, deren Trenneigenschaften durch Lichteinstrahlung beeinflusst werden können.“

Langfristig könnte dieses Prinzip für Anwendungen von Interesse sein, bei denen bestimmte Ionen selektiv aus komplexen Lösungen abgetrennt werden müssen. Dazu gehören beispielsweise Verfahren zur Aufbereitung und Rückgewinnung von Rohstoffen. Die Trennung von Lithium und Magnesium ist besonders relevant für die Lithiumgewinnung, da Magnesium den Trennungsprozess bei der Aufbereitung lithiumhaltiger Lösungen erschweren kann.