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我国学者在离子传导聚合物膜方面取得希望

栏目:行业资讯 宣布时间:2023-07-05

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图 微孔三嗪框架离子膜及其中近似无摩擦离子转达

国家自然科学基金委7月4日讯:在国家自然科学基金项目(批准号:21922510、21878281、U20A20127、52021002)等资助下,中国科学手艺大学杨正金/徐铜文教授团队,在离子膜领域取得了新希望。相关研究效果以“三嗪框架离子膜内近无摩擦的离子传导(Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes)”为题,于2023年4月26日揭晓在《自然》(Nature)杂志上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-05888-x。

离子膜是水电解槽、燃料电池、氧化还原液流电池和离子捕获电渗析等相关装备的要害质料。离子在膜内的转达效率取决于离子跨膜的能垒。古板膜,包括以Nafion膜为代表的“微相疏散”离子膜,具备较宽的离子通道,能高效传导离子;但离子通道吸水后易溶胀,导致膜机械强度下降、选择性和阻隔性降低。自具微孔离子膜含有的刚性高分子链由于无法有用群集,从而导致膜内易爆发微孔结构。虽然富厚的微孔结构提供了有用的离子传输通道、微孔的限域效应可以提高离子选择性,但自具微孔离子膜内高分子链的热运动会给离子转达带来摩擦阻力,同时也因膜的老化而造成孔坍塌,从而降低转达效率。因此,怎样在膜内修建全刚性限域微孔、调控离子与通道的相互作用,突破离子在膜中传输速率的极限,是开发新一代离子膜的要害。

研究团队接纳有机溶胶凝胶反应,一锅法制备了系列含疏水网络骨架和亲水功效化侧链的微孔框架离子膜,实现了微孔通道内吸收的水分子与疏水刚性主链的疏散,阻止离子膜吸水对微观上离子通道尺寸和宏观上膜机械强度的倒运影响。同时,研究团队提出刚性微孔通道内“离子配位”机制,在微孔框架离子膜中引入带电基团和多种可以与离子爆发弱相互作用的功效基团,使用静电、离子-偶极作用降低离子在膜内转达能垒。其中,钠离子在膜内的自扩散系数达1.18×10-5 cm2/s,实现了近似无摩擦的离子传导,膜面电阻降低至0.17 Ω·cm2。

该事情提出的微孔框架聚合物离子膜解决了现有质料保存的传导性和选择性之间的相互制约关系,为生长基于次级相互作用的精准疏散膜质料提供了机缘。微孔框架聚合物离子膜有望普遍应用于能源转化、离子筛分和资源提取等研究领域。


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