中国科学技术大学Nature：离子传输膜的新突破——近乎无摩擦的离子传输

一、【导读】

选择性离子传输膜是清洁能源技术的关键组件，包括大规模、高能效的分离和纯化过程，当然还有各种各样的电化学设备，如CO₂电解器和水电解器，H₂/O₂燃料电池，氧化还原液流电池，离子捕获电渗析等。在所有这些成熟和新兴的电化学系统中，膜分离器传输离子并隔离两个半电池中的电化学反应，其有效性取决于膜分离器执行快速和选择性离子传输的能力。在亚纳米尺度下，离子通过膜的传输取决于总体能量垒，这由自由体积中的纳米限制空隙和孔-离子相互作用决定。因此，在电化学过程中构建具有低能量垒的离子通道对于开发高性能膜至关重要。然而，设计高效、可扩展和低成本的选择性离子传输膜，以提供低能量垒传输的离子通道仍然具有挑战性。

二、【成果掠影】

近日，中国科学技术大学徐铜文教授，杨正金教授联合美国犹他州立大学T. Leo Liu采用一种策略，通过使用共价键合的聚合物框架和刚性限制的离子通道，实现大面积、自由支撑的合成膜中离子在水中的扩散极限。接近无摩擦的离子流动是由稳固的微孔限制和离子与膜之间的多重相互作用共同实现的，例如，Na扩散系数为1.18×10⁺⁻⁹ m² s^–1，接近无限稀释纯水中的值，且面积特定膜电阻低至0.17 Ω cm²。作者展示了在快速充电水溶性有机氧化还原液流电池中具有高效能量效率和高容量利用率的高效膜，同时在极高的电流密度（高达500 mA cm^–2）下避免了交叉渗透引起的容量衰减。这种膜设计理念可能广泛适用于各种电化学设备的膜以及精确的分子分离。相关成果以“Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes”为题发表在Nature上。

三、【核心创新点】

该研究利用共价键合聚合物框架和刚性限制离子通道设计了大面积自由支撑合成膜，实现了接近水中离子扩散极限的高效离子传输，为广泛的电化学设备和精确分子分离提供了新颖解决方案。

四、【数据概览】

图1示意图展示了现有和拟议的具有不同离子通道的离子选择性聚合物膜。© 2023 Springer Nature

图2负电荷CTF膜（SCTF）的表征。 © 2023 Springer Nature

图3离子在SCTF-联苯（SCTF-BP）膜中的传输。 © 2023 Springer Nature

图4SCTF-BP膜使水溶性碱性醌液流电池实现快速充电。 © 2023 Springer Nature

五、【成果启示】

总言之，通过超酸催化的有机溶胶-凝胶过程，从具有不同电荷功能的芳香族腈单体衍生出的微孔共价三嗪结构（CTF）膜在各种氧化还原化学中实现了高性能的水有机氧化还原液流电池（AORFBs），这归因于阳离子通过限制良好的微孔扩散的低能量垒。考虑到有机反应和单体在构建共价有机框架中的各种选择，这种设计策略可能具有广泛的适用性。预期这些CTF膜将实现更广泛的应用范围，超出目前在AORFBs中展示的应用——例如，在CO₂还原的电化学设备中。尽管在SCTF-BP膜内观察到了与3D纳米通道的润湿性相关的局部无摩擦离子流动，但仍需要进一步操控CTF膜结构以促进长距离离子扩散，这可能受到孔隙弯曲的阻碍。作者在这里提出的概念扩展了超快离子传导膜的潜力，超越了无机微孔对应物（例如，沸石、碳纳米管、石墨烯和MXenes），并为依赖于次级相互作用的聚合物膜的精确分子分离的发展提供了机会。

原文详情：Zuo, P., Ye, C., Jiao, Z. et al. Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes. Nature (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05888-x

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