Ion Transport through Porous Block Copolymers and Ion-containing Hydrogels for Salinity-gradient Power Generation

Abstract

Ion-selective membrane only transmits one kind of ion. The membrane has a positive or negative charge on their surface. This type of membrane harvests energy from the difference of chemical potential when it was applied in concentration cells. The membrane was prepared by polystyrene-b-poly-2-vinylpyridine (PS-b-P2VP) via non-solvent induced phase separation method. Before the immersing process, non-solvent membrane was evaporated at ambient temperature and elevated temperature to form the isoporous structure. The membrane had isoporous pores on the top layer and sponge-like pores in the bottom layer. The fabricated membrane had a neutral surface which cannot select counter ions. The membrane was modified by bromoethane solution to create a positive charge on the surface and applied to concentration cell to measure the energy harvesting performance. Furthermore, the concentration cell system was applied in ion-containing hydrogel. When physical force subjected to this system, the concentration gradient was formed. A result of the concentration gradient redox reaction occurred, the electrons work to an external circuit.

이온교환시스템은 한종류의 양이온 또는 음이온만 선택적으로 통과시킨다. 이러한 종류의 멤브레인은 농도차전지 안에서 화학포텐셜 차이에 의해 에너지를 얻을 수 있다. 멤브레인은 non-solvent induced phase separation(NIPS)을 통해 polystyrene-b-poly-2-vinylpyridine(PS -b-P2VP) 고분자로 제작되었다. 고분자 용액을 비용매에 담지하기 전, 상온과 고온에서 용매를 증발시키면 상층부는 블럭공중합체에 의한 일정한 모양의 구멍을 가지고 하층부는 NIPS에 의한 구멍이 생긴다. 제작된 멤브레인은 전하를 가지고 있지 않으므로 표면을 bromoethane 용액을 이용하여 다양한 시간동안 표면을 양이온으로 개질시켰다. 개질된 멤브레인은 구멍의 표면에 양전하를 가지고 있어 Donnan 배제에 의해 음이온만 선택적으로 투과시킨다. 이온교환막은 농도차전지에 적용되어 성능을 확인하였다. 이러한 이온교환시스템을 고체상태로 적용하기 위하여 하이드로젤을 사용하였다. 외부자극에 의해 이온을 함유하고있는 하이드로젤이 변형되면 하이드로젤의 내부에 농도차가 생긴다. 농도차에 의해 내부의 이온들이 높은 농도의 하이드로젤에서 낮은 농도의 하이드로젤로 이동하려고 한다. 이러한 계 사이에 이온선택성을 가진 하이드로젤을 삽입하게 되면 이온이 선택적으로 이동하고 전하균형을 위해 산화-환원반응이 일어나게 되며, 이 반응에 의해 생성된 전자가 외부회선을 따라 흐르며 에너지를 생산한다. 삽입된 이온교환하이드로젤과 이온의 종류, 농도를 바꿔가며 성능을 증대시켰다.