Membranen sind dünne, meist planare Trennschichten, die zwei Phasen voneinander separieren und den selektiven Stofftransport einzelner Komponenten ermöglichen. In den Werkstoffwissenschaften werden Membranen gezielt hinsichtlich Struktur, Chemie und Morphologie entwickelt, um definierte Permeabilität, Selektivität und Langzeitstabilität zu erreichen.

Strukturell lassen sich dichte (nicht-poröse) von porösen Membranen unterscheiden. Dichte Membranen ermöglichen überwiegend lösungs-diffusionskontrollierten Transport, während bei porösen Membranen Konvektion und Knudsen‑ bzw. molekulare Diffusion dominieren. Die Membran-Selektivität resultiert aus Größen‑, Form‑, Ladungs- oder Affinitätsunterschieden der transportierten Spezies.

Polymermembranen sind industriell besonders relevant, da ihre Mikrostruktur (z.B. Glasübergang, Kristallinität, Phasenseparation) und Funktionalität (Ionen‑, Protonen‑ oder Hydroxidleitfähigkeit) über Synthese und Verarbeitung fein einstellbar sind. Protonenaustauschmembranen (PEM) und Anionenaustauschmembranen (AEM) bilden zentrale Komponenten in Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Redox-Flow-Batterien. Dort koppeln sie Ionenleitung (H⁺, OH^-, andere Ionen) mit elektronischer Isolation und Gasdichtigkeit.

Kompositmembranen kombinieren polymere Matrixsysteme mit anorganischen Füllstoffen (z.B. Oxide, nanoskalige Kohlenstoffmembranen). Ziel ist die Verbesserung von Leitfähigkeit, mechanischer Festigkeit, thermischer Stabilität oder chemischer Beständigkeit. Kohlenstoffmembranen – etwa auf Basis graphitischer oder amorpher Kohlenstoffstrukturen – erlauben durch kontrollierte Porengrößen im Nano- bis Subnanometerbereich hochselektive Gas- und Flüssigkeitstrennung.

Für die Werkstoffentwicklung sind Degradationsmechanismen (Hydrolyse, Oxidation, mechanisches Kriechen), Skalierungseffekte im Nanometerbereich und die Kopplung von Transport und Struktur entscheidend. Moderne Membranforschung adressiert insbesondere die gezielte Gestaltung von Ionen-Austauschmembranen und hydroxidleitenden Membranen für nachhaltige Energiewandlung, Wasseraufbereitung und elektrochemische Verfahren.