Faradaic materials and processes for the electrochemical separation of alkali and alkaline earth metal ions

Abstract

As industrial and agricultural activities expand along with a growing global population, numerous regions are experiencing shortages of water and essential metals. To address these challenges, electrochemical separation methods utilizing electroactive materials and interfaces offer an efficient and straightforward approach to water purification and targeted ion extraction. Although carbon-based materials have been extensively studied and have the advantages of stability and low cost, they suffer from low desalination capacity, particularly for high-salinity water, and low selectivity. This dissertation investigates the potential of Faradaic materials and processes for electrochemical ion/water separation, as well as ion/ion separation, with a focus on alkali and alkaline earth metal ions, which are vital for industrial development but challenging to separate. The study includes synthesizing several Faradaic materials to achieve high ion removal capacity in seawater desalination. This work also develops a strategy to exploit the nuanced differences of ion intercalation kinetics in 2D material to achieve specific ion separation. The study also examines the selectivity and stability of LiFePO4 and presents new ways to optimize its performance. Finally, the study establishes a novel electrochemical process based on redox flow batteries, which promises a more efficient and continuous extraction of lithium ions from seawater.

Mitwachsender Weltbevölkerung, Industrie und Landwirtschaft werden zunehmend mehr Regionen einer Knappheit an Wasser und relevanten Elementen unterworfen. Entgegenwirkend bieten elektrochemische Trennverfahren unter Verwendung elektroaktiver Materialien und Grenzflächen einen effizienten und einfachen Ansatz zur Wasserreinigung und gezielten Ionenextraktion. Ausführlich untersuchte Kohlenstoffmaterialien welche Vorteile von Stabilität und niedrigen Kosten aufweisen, liefern nur eine geringe Selektivität und Entsalzungskapazität, insbesondere für Wasser mit hohem Salzgehalt. Diese Dissertation untersucht das Potenzial faraday‘scher Materialien und Prozesse für die elektrochemische Ionen/Wasser- sowie Ionen/Ionen-Trennung, mit einem Fokus auf Alkali- und Erdalkalimetallionen, die für die industrielle Entwicklung von entscheidender Bedeutung, aber schwierig zu trennen sind. Die Studie umfasst die Synthese faraday‘scher Materialien, um hohe Ionenentfernungskapazitäten im Kontext der Meerwasserentsalzung zu erreichen. Zudem wurde eine Strategie entwickelt, um die differenzierenden Unterschiede der Ioneninterkalationskinetik in 2D-Material für eine spezifische Ionentrennung auszunutzen. Die Studie untersucht auch die Selektivität und Stabilität von LiFePO4 und zeigt neue Möglichkeiten zur Optimierung seiner Leistung auf. Schließlich wird ein neuartiger elektrochemischer Prozess auf Basis von Redox-Flow-Batterien etabliert, der eine kontinuierlichere Extraktion von Lithium-Ionen aus Meerwasser verspricht.