中國科學技術大學Nature:離子傳輸膜的新突破——近乎無摩擦的離子傳輸


一、 【導讀】?

選擇性離子傳輸膜是清潔能源技術的關鍵組件,包括大規模、高能效的分離和純化過程,當然還有各種各樣的電化學設備,如CO2電解器和水電解器,H2/O2燃料電池,氧化還原液流電池,離子捕獲電滲析等。在所有這些成熟和新興的電化學系統中,膜分離器傳輸離子并隔離兩個半電池中的電化學反應,其有效性取決于膜分離器執行快速和選擇性離子傳輸的能力。在亞納米尺度下,離子通過膜的傳輸取決于總體能量壘,這由自由體積中的納米限制空隙和孔-離子相互作用決定。因此,在電化學過程中構建具有低能量壘的離子通道對于開發高性能膜至關重要。然而,設計高效、可擴展和低成本的選擇性離子傳輸膜,以提供低能量壘傳輸的離子通道仍然具有挑戰性。

二、【成果掠影】

近日,中國科學技術大學徐銅文教授,楊正金教授聯合美國猶他州立大學T. Leo Liu采用一種策略,通過使用共價鍵合的聚合物框架和剛性限制的離子通道,實現大面積、自由支撐的合成膜中離子在水中的擴散極限。接近無摩擦的離子流動是由穩固的微孔限制和離子與膜之間的多重相互作用共同實現的,例如,Na擴散系數為1.18×10+?9?m2?s–1,接近無限稀釋純水中的值,且面積特定膜電阻低至0.17?Ω?cm2。作者展示了在快速充電水溶性有機氧化還原液流電池中具有高效能量效率和高容量利用率的高效膜,同時在極高的電流密度(高達500?mA?cm–2)下避免了交叉滲透引起的容量衰減。這種膜設計理念可能廣泛適用于各種電化學設備的膜以及精確的分子分離。相關成果以“Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes”為題發表在Nature上。

?三、【核心創新點】

該研究利用共價鍵合聚合物框架和剛性限制離子通道設計了大面積自由支撐合成膜,實現了接近水中離子擴散極限的高效離子傳輸,為廣泛的電化學設備和精確分子分離提供了新穎解決方案。

?四、【數據概覽】

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1示意圖展示了現有和擬議的具有不同離子通道的離子選擇性聚合物膜。 ? 2023 Springer Nature

2 負電荷CTF膜(SCTF)的表征。 ? 2023 Springer Nature

3 離子在SCTF-聯苯(SCTF-BP)膜中的傳輸。 ? 2023 Springer Nature

4 SCTF-BP膜使水溶性堿性醌液流電池實現快速充電。 ? 2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

總言之,通過超酸催化的有機溶膠-凝膠過程,從具有不同電荷功能的芳香族腈單體衍生出的微孔共價三嗪結構(CTF)膜在各種氧化還原化學中實現了高性能的水有機氧化還原液流電池(AORFBs),這歸因于陽離子通過限制良好的微孔擴散的低能量壘。考慮到有機反應和單體在構建共價有機框架中的各種選擇,這種設計策略可能具有廣泛的適用性。預期這些CTF膜將實現更廣泛的應用范圍,超出目前在AORFBs中展示的應用——例如,在CO2還原的電化學設備中。盡管在SCTF-BP膜內觀察到了與3D納米通道的潤濕性相關的局部無摩擦離子流動,但仍需要進一步操控CTF膜結構以促進長距離離子擴散,這可能受到孔隙彎曲的阻礙。作者在這里提出的概念擴展了超快離子傳導膜的潛力,超越了無機微孔對應物(例如,沸石、碳納米管、石墨烯和MXenes),并為依賴于次級相互作用的聚合物膜的精確分子分離的發展提供了機會。

 

 

原文詳情: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

本文由jiojio供稿

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