圖 微孔三嗪框架離子膜及其中近似無摩擦離子傳遞

國家自然科學基金委7月4日訊：在國家自然科學基金項目（批準號：21922510、21878281、U20A20127、52021002）等資助下，中國科學技術大學楊正金/徐銅文教授團隊，在離子膜領域取得了新進展。相關研究成果以“三嗪框架離子膜內(nèi)近無摩擦的離子傳導（Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes）”為題，于2023年4月26日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05888-x。

離子膜是水電解槽、燃料電池、氧化還原液流電池和離子捕獲電滲析等相關設備的關鍵材料。離子在膜內(nèi)的傳遞效率取決于離子跨膜的能壘。傳統(tǒng)膜，包括以Nafion膜為代表的“微相分離”離子膜，具備較寬的離子通道，能高效傳導離子；但離子通道吸水后易溶脹，導致膜機械強度下降、選擇性和阻隔性降低。自具微孔離子膜含有的剛性高分子鏈由于無法有效堆積，從而導致膜內(nèi)易產(chǎn)生微孔結(jié)構。雖然豐富的微孔結(jié)構提供了有效的離子傳輸通道、微孔的限域效應可以提高離子選擇性，但自具微孔離子膜內(nèi)高分子鏈的熱運動會給離子傳遞帶來摩擦阻力，同時也因膜的老化而造成孔坍塌，從而降低傳遞效率。因此，如何在膜內(nèi)構筑全剛性限域微孔、調(diào)控離子與通道的相互作用，突破離子在膜中傳輸速率的極限，是開發(fā)新一代離子膜的關鍵。

研究團隊采用有機溶膠凝膠反應，一鍋法制備了系列含疏水網(wǎng)絡骨架和親水功能化側(cè)鏈的微孔框架離子膜，實現(xiàn)了微孔通道內(nèi)吸收的水分子與疏水剛性主鏈的分離，避免離子膜吸水對微觀上離子通道尺寸和宏觀上膜機械強度的不利影響。同時，研究團隊提出剛性微孔通道內(nèi)“離子配位”機制，在微孔框架離子膜中引入帶電基團和多種可以與離子發(fā)生弱相互作用的功能基團，利用靜電、離子-偶極作用降低離子在膜內(nèi)傳遞能壘。其中，鈉離子在膜內(nèi)的自擴散系數(shù)達1.18×10-5 cm2/s，實現(xiàn)了近似無摩擦的離子傳導，膜面電阻降低至0.17 Ω·cm2。

該工作提出的微孔框架聚合物離子膜解決了現(xiàn)有材料存在的傳導性和選擇性之間的相互制約關系，為發(fā)展基于次級相互作用的精準分離膜材料提供了機遇。微孔框架聚合物離子膜有望廣泛應用于能源轉(zhuǎn)化、離子篩分和資源提取等研究領域。