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Graphenoxid für die Umkehrosmose: mit Ionenbestrahlung Permeatfluss optimieren

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Autor: Hildegard Lyko

Graphenoxid für die Umkehrosmose: mit Ionenbestrahlung Permeatfluss optimieren
Mittels Ionenbeschuss werden Poren in die Graphenoxidschicht eingebracht (oben). Das erhöht – bis zu einer bestimmten Menge – den Wasserfluss (unten). Bild: Tobias Foller

Membranen aus mehreren Lagen Graphenoxid, das nur eine Atomlage „dick“ ist, haben sich bei der Umkehrosmose als äußerst effiziente Filter zur Wasserentsalzung erwiesen. Ein Team aus deutschen, australischen und französichen Wissenschaftler:innen fand nun heraus, wie sich die Transporteigenschaften von Membranen aus Graphenoxid durch zusätzliche Poren im Material gezielt manipulieren lassen.

Etwa zwei Drittel der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt, rund 97 Prozent davon sind Salzwasser. Um den immer höheren Bedarf an Trinkwasser zu decken, muss die Entsalzung optimiert werden.

Mehr Poren führen nicht zwangsläufig zu höherem Wasserfluss

Das Team um Prof. Marika Schleberger vom Center for Nanointegration (CENIDE) an der Universität Duisburg-Essen, Wissenschaftler:innen von der University of New South Wales (Australien) und des Grand Accélérateur National d’Ions Lourds brachte schlitzförmige Poren mittels Ionenbestrahlung in die Graphenoxid-Lagen ein. Tatsächlich fließt dann das Wasser schneller durch das Material, aber nur bis zu einem bestimmten Punkt.

“Überraschend war, dass die Wasserdurchflussmenge ab einer gewissen Porendichte nicht mehr ansteigt, sondern abnimmt und sogar ganz versiegt”, erklärte Graphen-Expertin Prof. Maria Schleberger.

Vorhandensein funktioneller Gruppen ist entscheidend

Der Grund: Der Ionenbeschuss, durch den die Löcher hergestellt werden, erwärmt die Ränder der Poren und zerstört bei zu vielen und zu dicht aneinander liegenden Poren die chemischen Gruppen wie z.B. Hydroxylgruppen oder Carbonsäuren. Aus Graphenoxid wird Graphen und der Wasserfilm, der sich zwischen den Lagen bildet, bewegt sich nicht mehr. Erst durch die chemischen Gruppen bricht dieser Wasserfilm auf, „das Wasser bindet sich über Wasserstoffbrückenbindung und wechselt so in die nächste Lage“, so die Experimentalphysikerin weiter. Dieses Wissen half den Wissenschaftler:innen ein Optimum zu finden, bei dem ausreichend Graphenoxid vorhanden ist und dennoch genügend Löcher für den schnelleren Durchfluss eingebracht werden können. „Die Ergebnisse sind wichtig für maßgeschneiderte Graphenoxid-Membranen, zum Beispiel für die Energieumwandlung, elektrochemische Katalyse und Biomedizin.“

Die Originalpublikation finden Sie hier.

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