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(xué)基金委7月4日訊：在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：21922510、21878281、U20A20127、52021002）等資助下，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊正金/徐銅文教授團(tuán)隊(duì)，在離子膜領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“三嗪框架離子膜內(nèi)近無摩擦的離子傳導(dǎo)（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(guān)設(shè)備的關(guān)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(dǎo)離子；但離子通道吸水后易溶脹，導(dǎo)致膜機(jī)械強(qiáng)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(dǎo)致膜內(nèi)易產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)。雖然豐富的微孔結(jié)構(gòu)提供了有效的離子傳輸通道、微孔的限域效應(yīng)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(yùn)動(dòng)會給離子傳遞帶來摩擦阻力，同時(shí)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(gòu)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(guān)鍵。

研究團(tuán)隊(duì)采用有機(jī)溶膠凝膠反應(yīng)，一鍋法制備了系列含疏水網(wǎng)絡(luò)骨架和親水功能化側(cè)鏈的微孔框架離子膜，實(shí)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(jī)械強(qiáng)度的不利影響。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)提出剛性微孔通道內(nèi)“離子配位”機(jī)制，在微孔框架離子膜中引入帶電基團(tuán)和多種可以與離子發(fā)生弱相互作用的功能基團(tuán)，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(kuò)散系數(shù)達(dá)1.18×10-5 cm2/s，實(shí)現(xiàn)了近似無摩擦的離子傳導(dǎo)，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(dǎo)性和選擇性之間的相互制約關(guān)系，為發(fā)展基于次級相互作用的精準(zhǔn)分離膜材料提供了機(jī)遇。微孔框架聚合物離子膜有望廣泛應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)化、離子篩分和資源提取等研究領(lǐng)域。