Grafeenoxidemembranen zijn alleen stabiel in water als ze vervuild zijn met aluminiumionen. Dat merk je pas als je een keertje géén aluminiumoxidefilter gebruikt om ze te bereiden, schrijven Amerikaanse onderzoekers in Nature Chemistry.

Hun ontdekking lost een raadsel op waar de wetenschap al jaren mee zit. Zulke membranen zijn opgebouwd uit een groot aantal lagen grafeenoxide, oftewel grafeen dat vol zit met zuurstofhoudende functionele groepen. Je maakt ze door vacuümfiltratie van een dispersie van die grafeenoxidevelletjes in water. Het membraan blijft dan als een dunne koek op het filter liggen, waarbij de velletjes door vanderwaalskrachten en waterstofbruggen bij elkaar worden gehouden.

Je zou verwachten dat zo’n koek meteen weer uit elkaar valt wanneer er water bij komt. De grafeenoxidelaagjes worden dan negatief geladen en gaan elkaar afstoten, en daar kunnen die waterstofbruggen bij lange na niet tegenop. Maar het gekke is dat dat meestal niet gebeurt, en dat zo’n membraan eigenlijk heel erg waterbestendig blijkt te zijn.

Che-Ning Yeh, Jiaxing Huang en collega’s van Northwestern University weten nu hoe het komt. Het is maar dat vrijwel iedereen filters van poreus geanodiseerd aluminiumoxide (AAO) gebruikt om zulke membranen te maken, omdat die lekker plat en stevig zijn en niet vervormen wanneer je aan de onderkant de lucht wegzuigt.

Maar zo’n grafeenoxidedispersie is behoorlijk zuur, denk aan een pH van 3. Het aluminiumoxide lost er gedeeltelijk in op, en de vrijkomende Al³⁺-ionen blijken een heel effectieve crosslinker voor grafeenoxide.

Met andere woorden: zulke ionen zijn de lijm die zo’n membraan bij elkaar houdt. Met andere multivalente metaalionen, zoals Mn²⁺, lukt het ook. Maar gebruik je een ander filtermateriaal, bijvoorbeeld teflon, en let je goed op dat nergens anders metaalionen in de dispersie kunnen sluipen, dan krijg je membranen die op het eerste gezicht precies hetzelfde zijn maar wél meteen uit elkaar beginnen te vallen bij contact met water. Zie het plaatje.

Anorganische chemie voor eerstejaars, noemt Huang het. Het heeft ook gevolgen voor de inschatting van de mechanische eigenschappen van grafeenoxidemembranen: door de metaalionen blijken ze namelijk veel stugger te worden.

bron: Northwestern University