新一代離子交換膜：限域離子膜  NSR

新一代離子交換膜：限域離子膜 | NSR

中國(guó)科學(xué)雜志社 / 時(shí)間：2024-12-23 09:43:25

中國(guó)科學(xué)雜志社12月21日訊：離子交換膜是電滲析、液流電池、電解水、電化學(xué)合成氨等電膜過(guò)程的關(guān)鍵材料，在離子精準(zhǔn)分離、可再生能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換以及清潔能源生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。離子交換膜的主要功能是快速和選擇性傳遞離子、隔離陽(yáng)極和陰極反應(yīng)，離子的滲透性和選擇性取決于離子在膜中荷電通道的傳遞特性，這也決定了電膜過(guò)程的效率。本文梭理了離子交換膜歷程（圖1），并認(rèn)為發(fā)展進(jìn)程中有三個(gè)里程碑：**個(gè)是1925年Michaelis和Fujita首次報(bào)導(dǎo)人工合成的離子交換膜；第二個(gè)是1978年以微相分離通道而聞名的Nafion膜，并由杜邦公司產(chǎn)業(yè)化；第三個(gè)是2020年前后隨著離子交換膜應(yīng)用于電化學(xué)器件，涌現(xiàn)出超微孔結(jié)構(gòu)的新一代離子交換膜，離子傳遞不僅依賴功能基團(tuán)，還取決于膜通道結(jié)構(gòu)和壁面特性。

圖1. 離子交換膜發(fā)展進(jìn)程。

傳統(tǒng)離子交換膜通過(guò)親水相和疏水相分離形成離子傳遞通道，納米尺度的荷電通道主要分布在具有離子交換基團(tuán)的親水性區(qū)域，而疏水性區(qū)域則缺乏離子傳遞的多孔結(jié)構(gòu)（圖2a）。離子交換膜的離子滲透性與荷電通道的離子交換容量呈正相關(guān)，提高離子交換容量，可以增加反離子滲透性，同時(shí)抑制同離子滲透性。然而，當(dāng)離子交換容量大幅提升時(shí)，由柔性聚合物鏈組成的離子膜會(huì)顯著溶脹，從而產(chǎn)生尺寸更大的離子通道，選擇性大大降低。因此，傳統(tǒng)離子膜的離子滲透性和選擇性之間此消彼長(zhǎng)，存在相互制約的現(xiàn)象。

新一代離子交換膜是在微孔限域效應(yīng)的指導(dǎo)下構(gòu)建的，旨在突破傳統(tǒng)離子膜的離子滲透性和選擇性的相互制約（圖2b）。新一代離子膜具有與水合離子直徑相當(dāng)?shù)膭傂晕⒖卓蚣芡ǖ?，可以誘導(dǎo)離子脫水，脫水的離子暴露出更多化學(xué)環(huán)境，與通道壁之間產(chǎn)生更強(qiáng)的相互作用。因此，微孔限域效應(yīng)下的尺寸篩分和相互作用效應(yīng)顯著增強(qiáng)，并主導(dǎo)離子傳遞行為，顯示出打破固有限制的巨大潛力，在新能源器件中展示出超常的性能。

本文首次定義了新一代離子膜內(nèi)涵，其特點(diǎn)是具有與水合離子直徑相當(dāng)?shù)奈⒖卓蚣芡ǖ溃上抻螂x子傳遞，且通道壁面與離子進(jìn)行相互作用，以實(shí)現(xiàn)離子通量和選擇性的同步提升。根據(jù)制備材料不同，將孔徑定義為1-2 nm，0.7-1.0 nm，<0.7nm三種范圍（圖2b i-iii）。文章提出了新一代離子膜的構(gòu)筑方法，包括超交聯(lián)離子膜、荷電化自具微孔膜、微孔框架離子膜，闡明了微孔通道強(qiáng)化尺寸篩分和壁面相互作用帶來(lái)的離子限域傳遞效應(yīng)，突出了其在鹽湖提鋰、液流電池、電解水制氫和合成氨應(yīng)用領(lǐng)域的性能躍升，展望了新一代離子膜在復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)表征、離子傳遞原位解析和規(guī)?；苽涞确矫娴奈磥?lái)發(fā)展方向。

圖2. 傳統(tǒng)離子交換膜與新一代離子交換膜的結(jié)構(gòu)示意圖。

這項(xiàng)成果發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National ScienceReview, NSR），中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李興亞特任教授、左培培副研究員為論文共同**作者，徐銅文教授為論文通訊作者。