中国科学技术大学考研，中国科学技术大学考研分数线
分离过程和电化学技术，如水电解、燃料电池、氧化还原液流电池和离子捕获电渗析的增强取决于低电阻和高选择性离子传输膜的发展。离子通过这些膜的运输取决于由孔隙结构和孔隙-分析物相互作用的集体相互作用所施加的总能量障碍。然而，设计高效、可扩展和低成本的选择性离子传输膜，为低能量势垒传输提供离子通道，仍然是一个挑战。
2023年4月26日，中国科学技术大学徐铜文、杨正金及美国犹他州立大学T . Leo Liu共同通讯（左培培、叶纯纯和焦中任为论文的共同第一作者）在Nature在线发表题为“Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes”的研究论文，该研究表明三嗪框架膜内可以实现近乎无摩擦的离子传输。该研究采用一种策略，允许离子在水中的扩散极限接近大面积、独立、合成膜使用共价键合的聚合物框架与刚性限制离子通道。
通过强大的微孔约束和离子与膜之间的多重相互作用，协同实现了近无摩擦的离子流动。在快速充电的水性有机氧化还原液流电池中展示了高效膜，在极高的电流密度(高达500 mA cm-2)下提供高能量效率和高容量利用率，并且还避免了交叉引起的容量衰减。这种膜设计概念可以广泛应用于各种电化学装置和精确分子分离的膜。
选择性离子传输膜是清洁能源技术的关键组成部分，包括大规模、节能的分离和净化过程，当然还有各种各样的电化学装置，如CO2电解槽和水电解槽、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，膜分离器在两个半电池中传输离子并分离电化学反应，其有效性取决于膜分离器进行快速和选择性离子传输的能力。离子在亚纳米尺度上通过膜的传输取决于总的能量垒，而能量垒是由自由体积空隙内的纳米约束和孔离子相互作用决定的。因此，在电化学过程中构建具有低能垒的离子通道是开发高性能膜的必要条件。
由于聚合物材料具有低成本、制造可扩展性和占地面积小的理想组合，因此在各种规模的实际模块中，选择性离子传输膜的使用占主导地位。以全氟碳Nafion和最近开发的烃基聚电解质为代表的传统聚合物材料通过微相分离形成离子导电区域。然而，这些区域定义不清，水化后容易膨胀到几纳米大小，这可能促进离子扩散，但也导致选择性差。
新兴的观点是限制孔隙体积空隙的大小—也就是说，增加聚合物骨架的刚性，减少聚合物段的热运动—以增强快速离子传输的良好尺寸选择性。特别是具有固有微孔隙度(PIMs)的可溶液加工的半刚性聚合物。作为下一代分子分离膜和离子传输膜正在兴起，得益于尺寸排斥诱导的选择性和自由体积诱导的渗透性。然而，这些半刚性的非网状PIMs可能会老化，并且在带电功能含量高的情况下，可能会发生严重的膨胀，导致选择性降低。
具有不同离子通道的离子选择性聚合物膜（图源自Nature）
因此，该研究的目标是部署形状持久的聚合物框架，将刚性约束应用于自由体积的空隙，但意识到单独的良好约束框架不太可能提供快速离子传输的机制。降低离子跨膜传输能量障碍的另一个关键设计标准是利用孔壁和离子之间的相互作用来促进无摩擦离子传输。因此，作者试图通过在聚合物框架中设计带电、极性和刘易斯酸/碱部分来改善孔隙和离子之间的多重相互作用。
该研究报告了一个新的全刚性聚合物框架膜系列，其中包含良好的封闭离子通道。微孔三嗪框架（CTF）膜，由具有不同电荷官能的芳腈单体通过超酸催化有机溶胶-凝胶工艺制备而成，由于阳离子在密闭微孔中扩散的能量屏障较低，在一系列氧化还原化学反应中获得了高性能的AORFBs。考虑到共价有机框架的各种有机反应和单体的选择，这种设计策略可能广泛适用，这些CTF膜将实现比目前在AORFBs中展示的更广泛的应用。据了解，此类离子膜有望实现国产聚合物离子膜的“弯道超车”，为实现国家“双碳”战略目标和可持续发展提供技术支撑。
中国科学技术大学化学与材料科学学院博士后左培培、英国爱丁堡大学叶纯纯和中国科大本科毕业生焦中任为论文的共同第一作者。该研究工作获得了国家重点研发项目、国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目资助。
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